微生物燃料電池高效電極與界面設(shè)計(jì)強(qiáng)化產(chǎn)電特性研究.pdf

1、能源短缺與環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFC）能夠利用微生物催化降解有機(jī)物產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)污水處理并同步產(chǎn)電，為水污染問(wèn)題和能源危機(jī)問(wèn)題的解決提供了新的思路。然而，微生物燃料電池較低的輸出功率密度限制了其實(shí)際應(yīng)用。在微生物燃料電池陰極，氧氣由于具有方便易得和綠色無(wú)污染的特點(diǎn)，是理想的陰極電子受體。但是在氧還原過(guò)程中，其還原反應(yīng)速率低，因此需要高效的催化劑來(lái)提高反應(yīng)速率和陰極性能。此外，微生

2、物燃料電池陽(yáng)極上的電子轉(zhuǎn)移速率以及微生物吸附量對(duì)電池的功率密度輸出具有重要的影響，因此，提高陽(yáng)極性能有利于促進(jìn)MFC功率密度的輸出。
　　針對(duì)微生物燃料電池目前存在的一些主要問(wèn)題，本論文從電極材料和界面出發(fā)，以廉價(jià)的不銹鋼網(wǎng)為空氣陰極的電子集流體，開(kāi)發(fā)高效廉價(jià)的復(fù)合納米催化劑和三維氧還原催化劑，通過(guò)優(yōu)化粘結(jié)劑和改進(jìn)空氣陰極結(jié)構(gòu)對(duì)空氣三相界面進(jìn)行調(diào)控，提高陰極性能；構(gòu)建三維贗電容性陽(yáng)極，增加陽(yáng)極生物附著量，并提高電子轉(zhuǎn)移效率，進(jìn)而提

3、高微生物燃料電池的功率密度和產(chǎn)電性能。論文取得的研究成果概括如下：
　　本論文首先在陰極三相界面催化劑研究中，合成了廉價(jià)高效的Ag-WC/C氧還原催化劑，基于A(yíng)g和WC之間的協(xié)同作用，Ag-WC/C能夠產(chǎn)生與Pt/C催化劑相當(dāng)?shù)腛RR活性和穩(wěn)定性，其催化ORR為間接4電子途徑。在MFC中，Ag-WC/C能夠產(chǎn)生與Pt/C非常接近的最大功率密度，說(shuō)明該復(fù)合納米催化劑能夠取代傳統(tǒng)Pt/C用于MFC產(chǎn)電。在此基礎(chǔ)上，以金屬有機(jī)框架為前驅(qū)

4、物，通過(guò)熱解的方法得到了三維多孔的CoNC催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，CoNC的電催化活性受到熱解溫度、比表面積、摻氮量以及氮元素形態(tài)的影響。CoNC具有大的比表面積和微孔面積，有利于增加三相界面有效催化位點(diǎn)的數(shù)量，加速質(zhì)子和氧在其表面的傳遞。研究發(fā)現(xiàn)，吡啶N和石墨化N能夠增加催化劑活性位點(diǎn)（Co-Nx）數(shù)量并增強(qiáng)催化劑的導(dǎo)電性。熱解溫度900 ℃制得的CoNC催化劑應(yīng)用于單室MFC中，電池最大輸出功率密度為1665mW/m2，較使用Pt

5、/C催化劑的MFC提高了39.8％，且三維多孔催化劑CoNC具有更好的電化學(xué)穩(wěn)定性。
　　其次，在MFC三相界面調(diào)控研究中，以廉價(jià)不銹鋼網(wǎng)取代了傳統(tǒng)碳布為空氣陰極的電子集流體，制作單位面積的不銹鋼網(wǎng)陰極的總造價(jià)僅為碳布陰極總造價(jià)的61%。氣體擴(kuò)散電極的導(dǎo)電性、氣體擴(kuò)散性能以及電催化氧還原的特性與聚四氟乙烯（PTFE）的百分含量有關(guān)，研究結(jié)果表明最優(yōu)PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。不銹鋼網(wǎng)陰極MFC具有與碳布陰極MFC相當(dāng)?shù)淖畲蠊β拭芏龋?/p>

6、化學(xué)需氧量（COD）去除率和庫(kù)侖效率。因此使用不銹鋼網(wǎng)作為電子集流體能夠在保證MFC性能的前提下明顯降低陰極造價(jià)。然后，以乙二胺四乙酸（EDTA）替代Nafion試劑作為粘結(jié)劑，構(gòu)建空氣陰極，電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，EDTA粘結(jié)劑能夠增強(qiáng)界面質(zhì)子傳導(dǎo)作用，降低電荷轉(zhuǎn)移阻力和傳質(zhì)阻力，其構(gòu)建的空氣陰極具有更好的穩(wěn)定性能。EDTA與Nafion試劑分別構(gòu)建的空氣陰極應(yīng)用于MFC中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，使用EDTA作為粘結(jié)劑，構(gòu)建的空氣陰極較Nafio

7、n試劑構(gòu)建的空氣陰極，電池的最大輸出功率密度提高了42%。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)在不銹鋼網(wǎng)基體上直接生長(zhǎng)Co3O4顆粒，構(gòu)建了新型的一體三維空氣陰極，避免粘結(jié)劑的使用。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，SSM/Co3O4氣體擴(kuò)散電極具有與Pt/C催化劑相當(dāng)?shù)腛RR活性和更好的穩(wěn)定性。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，在Co3O4催化劑表面，氧主要通過(guò)4電子還原途徑還原，產(chǎn)物為水。在MFC中，SSM/Co3O4氣體擴(kuò)散電極具有較高的ORR活性，電池具有與貴金屬Pt/C電極MF

8、C相當(dāng)?shù)淖畲蠊β拭芏?，?7.8W/m3；MFC周期運(yùn)行45天，電池的最大輸出電壓僅降低1.6%，表明SSM/Co3O4氣體擴(kuò)散電極具有良好的穩(wěn)定性。
　　同時(shí)，在陰極界面研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了三維電容性MnO2/碳紙陽(yáng)極（CP-MnO2），其三維結(jié)構(gòu)和贗電容特性可有效縮短電池的啟動(dòng)時(shí)間，并提高M(jìn)FC的陽(yáng)極性能和產(chǎn)電能力。隨著碳紙陽(yáng)極上MnO2生長(zhǎng)時(shí)間的增加，MnO2的電容也相應(yīng)增加，MFC的輸出功率密度隨著CP-MnO2的電容的逐