提高微生物燃料電池性能的電極材料研究.pdf

1、近年來，能源危機和水污染問題日益突出，已成為制約人類生存和發(fā)展的重要因素之一。廢水中含有以可生物降解型有機物形式存在的能量，如果能在廢水處理的同時回收這部分能源將是最佳的選擇。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，簡稱MFC)是一種利用微生物作為催化劑氧化有機物并直接將化學能轉(zhuǎn)化成電能的新型裝置。目前，該技術(shù)已被作為新型資源化技術(shù)應(yīng)周于廢水處理中，但因輸出功率低等核心問題仍處于實驗室研究階段。
　　 在眾多影

2、響因素中，電極材料尤其是陽極材料對MFC性能及建設(shè)成本都具有非常重要的影響。我們除了選擇優(yōu)良的材料做陽極之外，對現(xiàn)有的陽極材料進行改性也是重要的手段之一。目前，雖然已經(jīng)研究出一些陽極改性方法但是大多存在設(shè)備復雜、條件苛刻、制備時間過長、實際應(yīng)用性差等問題。因此，針對以上問題本文選用單室空氣陰極MFC作為反應(yīng)器，探索了簡單且易于工程應(yīng)用的電化學氧化法和電聚合制備導電聚合物涂層這兩種陽極改性方法，以實現(xiàn)MFC性能的提高。
　　 首先

3、，本文采用價格低廉的碳纖維布作為陽極材料，分別選取HNO3、NH4NO3和(NH4)2S2O8作為電解質(zhì)，利用電化學氧化方法(電流強度10mA，電解時間30min)對其進行材料表面的改性。然后將改性前后的碳纖維布分別作為陽極啟動4個MFCs，經(jīng)過一段時間的運行，考察各自的性能。主要研究結(jié)論如下：第一，改性后MFC的功率密度得到提升，其中HNO3改性后功率密度為792mW/m2，比未改性的(552mW/m2)提高了43％;NH4NO3改性

4、后的功率密度也提高了33%達到736mW/m2。第二，改性后的MFC內(nèi)阻減小了。HNO3改性和NH4NO3改性的內(nèi)阻分別由改性前的158Ω降低到122Ω和125Ω，分別降低了23%和21%。第三，通過SEM、XPS和電化學分析等手段發(fā)現(xiàn)，改性提高了材料表面粗糙度和Nls/Cls比，電化學蝕刻作用和表面官能團的引入可能是改性成功的主要原因和機理。第四，與之前的陽極改性方法相比，電化學氧化法具有成本低、操作條件溫和、易于工程應(yīng)用等優(yōu)點。

5、r>　　 其次，本文另以石墨氈為陽極材料，采用電聚合方法將納米級聚吡咯顆粒負載到石墨氈表面。以循環(huán)伏安掃描次數(shù)來控制反應(yīng)時間，其分別5CV(PPy-1)、10CV(PPy-2)、20CV(PPy-3)。實驗考察了反應(yīng)時間對聚吡咯形貌的影響以及改性對MFC性能的影響。實驗結(jié)果表明，聚吡咯顆粒尺寸大約在50nm左右，但隨著反應(yīng)時間的增加制備的納米顆粒呈現(xiàn)簇擁堆疊成團的現(xiàn)象。未改性的MFC的功率密度最大為375mW/m2。反應(yīng)器PPy-2的