碳材料在海底沉積物燃料電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、能源短缺和環(huán)境污染限制著人類的可持續(xù)發(fā)展。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells, MFCs)作為一種新型的能源裝置，利用厭氧環(huán)境下的微生物將有機物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。海底沉積物燃料電池(Benthic Sediment Microbial Fuel Cells, BMFCs)利用有氧的海水和無氧的沉積物產(chǎn)生電子，它的陽極埋置于海底沉積物中，陰極放置于海水中，陰、陽極通過外電路相連，沉積物中的微生物氧化有機物產(chǎn)生的電

2、子經(jīng)外電路由陽極傳遞到陰極。BMFCs可為小型的海洋儀器提供電能補給。
　　提高電極性能并降低其成本對BMFCs的大規(guī)模實海應(yīng)用具有重要意義。本文研究了不同碳材料對BMFCs性能影響，并探索了BMFCs在海底污染物治理方面的應(yīng)用。主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)黏膠基碳纖維、PAN碳纖維、碳刷、碳?xì)帧⑴菽?、碳棒和碳板分別作陽極和陰極時，不同的表面結(jié)構(gòu)影響底物傳質(zhì)速率和電池內(nèi)阻，表現(xiàn)出不同的產(chǎn)電性能。其中，黏膠基碳纖維具有明顯

3、的表面溝槽，增強了電極的抗極化能力，提高了電池的輸出功率密度，更能滿足實海應(yīng)用的要求。
　　(2)為了進一步提高碳纖維陽極的產(chǎn)電性能，應(yīng)用電化學(xué)方法改性BMFCs陽極材料。結(jié)果表明，由于親水基團的引入，陽極的潤濕角由142o降低到52o；與未改性陽極相比，改性陽極的電流密度和抗極化能力明顯提高。由改性陽極組裝的BMFCs輸出功率密度達(dá)到673.2mW/m2，約是未改性電池(285.1mW/m2)的2.4倍。因此，采用電化學(xué)改性方法

4、能有效提高BMFCs性能，為裝置擴大作參考。
　　(3)為了提高陽極性能，并降低成本，利用MnO4-和MWCNTs之間直接的氧化還原反應(yīng)制備了MnO2/MWCNTs納米復(fù)合材料。結(jié)果表明，與普通石墨電極相比，MnO2(50％)/MWCNTs陽極具有更好的潤濕性和動力學(xué)活性。由MnO2(50%)/MWCNTs陽極組成的電池輸出功率密度達(dá)到109.1mW/m2，穩(wěn)定輸出電流達(dá)到1.2mA，高于普通石墨電極(9.2mW/m2,0.3mA