基于天然植物制備微生物燃料電池的三維多孔碳陽極材料研究.pdf

1、微生物燃料電池(MFCs)是近些年發(fā)展起來的具有去污和產(chǎn)能雙重功能的生物電化學(xué)系統(tǒng)。作為一種新型能源，該技術(shù)在廢水處理方面具有極大的應(yīng)用潛能。但是，目前MFCs較低的輸出功率，以及較高的原料成本等問題，限制了其廣泛的應(yīng)用。作為電活性微生物生長和電子轉(zhuǎn)移場所，陽極材料對MFCs性能具有非常重要的影響。雖然現(xiàn)有的可作為MFCs的陽極材料很多，但它們普遍存在性能相對較差、制備方法復(fù)雜、成本高等問題。因此，它們的規(guī)?；瘧?yīng)用受到一定的限制。基于天

2、然植物制備多孔碳材料的方法，具有操作簡單和成本低等優(yōu)點(diǎn)，且具有可持續(xù)性和環(huán)境友好等特點(diǎn)。為此，本文以天然植物為原料制備MFCs的三維多孔碳陽極，以提高M(jìn)FCs的性能、降低MFCs的成本。
　　 本文第一部分選用天然有序孔道結(jié)構(gòu)的洋麻桿為原料，通過直接碳化的方法制備了三維有序多孔碳(3D-OPC)陽極。通過SEM表征其形貌發(fā)現(xiàn)，3D-OPC是一種具有三維有序結(jié)構(gòu)的多孔碳材料，其孔徑在20-60μm左右，孔與孔之間由多孔瓣膜分隔。生

3、物電化學(xué)測試結(jié)果顯示，3D-OPC陽極可產(chǎn)生的最大電流密度達(dá)到了3.25 mA· cm-2，是石墨棒(GR)陽極的2.9倍。但是，研究不同高度的3D-OPC陽極發(fā)現(xiàn)，隨著電極高度的增加，電流密度并沒有線性增加。陽極的微生物膜的形貌表征顯示，約40μm厚的微生物膜生長在3D-OPC的表層，但是其內(nèi)部微生物較少，其主要的原因是其孔徑不夠大，且孔與孔之間的瓣膜很大程度上阻礙了微生物的生長和營養(yǎng)基質(zhì)的傳遞。
　　 針對第一部分研究存在的

4、缺點(diǎn)，第二部分我們選用具有海綿狀結(jié)構(gòu)的柚子皮為原料，采用直接碳化的方法制備了網(wǎng)狀泡沫碳(RCF)陽極。SEM表征顯示，RCF具有大孔隙網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、褶皺的表面。RCF的孔隙率高達(dá)97％，孔徑大小為100-200μm，同時(shí)具有良好的親水性能。生物電化學(xué)測試結(jié)果顯示，RCF陽極可釋放的最大電流密度高達(dá)4.02 mA·cm-2，是網(wǎng)狀玻璃碳(RVC)陽極的近5倍和石墨氈(GF)陽極的2.35倍。相對3D-OPC而言，RCF具有更好的陽極性能，其可

5、歸功于網(wǎng)狀的三維結(jié)構(gòu)以及更大的孔徑（達(dá)到100-200μm）。研究不同厚度的RCF陽極發(fā)現(xiàn)，隨著電極厚度的增加，其電流密度也增大，但是體積電流密度隨之減小。對陽極的微生物膜形貌表征顯示，微生物膜在其表層生長達(dá)到20μm厚左右，同時(shí)微生物能深入RCF的內(nèi)部達(dá)600μm左右;但是越往RCF的內(nèi)部，微生物量越少。因此，RCF在一定程度上還是會阻礙營養(yǎng)基質(zhì)的傳遞，從而限制微生物在其內(nèi)部的生長。為此，還需要構(gòu)建更大孔隙的陽極結(jié)構(gòu)。
　　

6、本文第三部分選用層狀波紋纖維素紙板為原料，采用直接碳化的方法制備了具有毫米級孔隙的層狀波紋碳(LCC)陽極。生物電化學(xué)測試結(jié)果顯示，具有單層波紋的LCC陽極，可產(chǎn)生的最大電流密度高達(dá)7.28 mA·cm-2，是相同厚度石墨板(GP)陽極的6.6倍和碳?xì)?CF)陽極的4.55倍。研究不同高度的LCC陽極和不同波紋層數(shù)的LCC發(fā)現(xiàn)，隨著LCC的高度的增加其電流密度呈增大趨勢;隨著波紋層數(shù)的增加，LCC的電流密度呈線性增長，6層波紋的LCC陽