稻殼基多孔炭材料的制備及其在微生物燃料電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、微生物燃料電池（microbial fuel cells，簡稱MFCs）是一種利用微生物降解有機物、同時將產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。MFCs具備污水處理和產(chǎn)電的雙重優(yōu)勢，在當(dāng)前能源危機和環(huán)境污染的大背景下具有廣闊的發(fā)展前景。限制MFCs工業(yè)化應(yīng)用的主要原因是運行成本高、輸出功率低。稻殼作為稻谷加工過程的主要副產(chǎn)品，其資源化利用可有效解決資源浪費和環(huán)境污染問題。
　　本文創(chuàng)新地將 MFCs技術(shù)與稻殼資源化利用相結(jié)合，利用稻殼水解

2、活化后制備的多孔炭材料，采用輥壓技術(shù)制備了多孔炭-PTFE空氣陰極，并考察了其在MFCs中的產(chǎn)電特性，取得了以下主要結(jié)果：
　　首先，研究了采用壓片技術(shù)制備的超級電容活性炭-PTFE空氣陰極在MFCs中的產(chǎn)電特性。重點研究了催化層PTFE的用量對壓片法制備5組不同空氣陰極（C1~C5）的電化學(xué)活性和在MFCs中產(chǎn)電特性的影響。結(jié)論如下：1、LSV測試在OCP~-0.7V內(nèi)，五組空氣陰極催化層的輸出電流順序為C4≈C5≈C1>C3>

3、C2。而在0.3~-0.7V內(nèi)，C4電極的電流響應(yīng)最強，表明氧化還原反應(yīng)活性最高。Tafel曲線測試表明，隨著催化層中PTFE用量的減少，C1~C4電極的交換電流密度j0隨之增大；而隨著 PTFE用量的進一步減少，C4~C5電極的 j0隨之減小；表明C4電極氧化還原反應(yīng)活性最強。這一結(jié)果與LSV掃描結(jié)果一致。2、五組空氣陰極在 MFCs中獲得的最大功率密度排序如下：C1(274mW/m2，0.89A/m2)

4、.01 A/m2)C5(380 mW/m2，1.65 A/m2)。本實驗表明C4電極催化層—0.5g超級電容活性炭、200μLPTFE為壓片法超級電容活性炭-PTFE空氣陰極的最優(yōu)比例。
　　其次，探究了采用水解和化學(xué)活化法制備稻殼基多孔炭、結(jié)合輥壓法制作多孔炭-PTFE空氣陰極，并考察其在MFCs中的產(chǎn)電特性。主要結(jié)論如下：1、多孔

5、炭材料的性能表征（SEM、BET、XPS）表明水解酸化產(chǎn)生的水熱炭表面較粗糙，內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)較少，比表面積僅為15.9 m2 g-1。活化后的多孔炭無論是表面形貌還是比表面積，均比水熱炭有較大改善。KOH活化1h后得到的C/5:1/800/1(KOH)樣品比表面積可達1809 m2 g-1，與本實驗中作為對比所采用的超級電容活性炭比表面積相當(dāng)（1839 m2g-1）。多孔炭的孔徑分布主要集中在1.24~2.32nm，為微孔結(jié)構(gòu)。2、空氣陰極

6、的 LSV和 Tafel曲線測試均表明C/5:1/800/1(KOH)樣品制備的 CK1電極具有最好的電化學(xué)活性。3、輥壓法制備的多孔炭-PTFE空氣陰極在MFC中具有較好的產(chǎn)電性能。功率密度排列如下：CU(367.8±7.8mW m-2at1.44 A m-2)> CK1(317.7±0.4mW m-2at1.35 A m-2)>CK2(297.8±12.3mW m-2at1.19 A m-2)> CNa(293.4±28.7mW m

7、-2at1.30A m-2)>CP(83.1±5.0 mW m-2at0.34 A m-2)。結(jié)果表明，輥壓法制備的三種多孔炭-PTFE空氣陰極中C/5:1/800/1(KOH)樣品制備的CK1電極獲得最高的功率密度，其次為C/5:1/800/2(KOH)樣品制備的CK2電極，而C/3:1/800/1(NaOH)制備的CNa電極功率密度最低。稻殼基多孔炭電極產(chǎn)電功率遠高于工業(yè)常用活性炭制備的電極，與超級電容活性炭制備的電極性能相近，表明