PEDOT修饰石墨阳极及其应用于微生物燃料电池脱色与产电的研究

发布时间：2020-08-19 11:05

【摘要】：微生物燃料电池(Microibal Fuel Cell,MFC)以微生物为催化剂,废弃生物质、有机废水等有机物作为燃料,通过生物氧化产生电能的特殊燃料电池。迄今为止,大多数研究采用碳材料作为MFC的阳极,如石墨块、碳纸、碳布和碳毡。尽管碳材料质量轻、抗腐蚀性好,但碳材料脆性大、二次加工困难,而且也不太容易吸附微生物。高分子聚合物普遍具有耐腐蚀、容易加工、成本低的优点,将导电聚合物涂布在普通基材表面,可以简单、快速地改变电极特性,已经逐渐成为MFC阳极修饰的一个新的发展方向。与其他导电聚合物相比,导电聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)具有极好的化学稳定性,高导电率和良好的生物相容性,很适合作为MFC的电极涂层。本研究以来自海洋的产电菌Shewanellasp.S2作为菌种材料,主要研究了 PEDOT修饰MFC阳极对MFC产电和脱色的影响,主要研究结果如下:(1)采用循环伏安法(CV),成功地在高纯石墨表面镀上一层PEDOT薄膜,扫描电子显微镜(SEM)表征了石墨电极表面的PEDOT膜。结果表明,PEDOT以200-400 nm颗粒状均匀地覆盖在电极表面。铁氰化钾溶液的CV测试结果表明,对比未修饰的同尺寸的石墨电极,铁氰化钾峰电位和氧化还原电流影响不大,但CV曲线所包含的面积远大于未修饰的石墨电极,说明PEDOT修饰,提高了电极的导电能力。交流阻抗法(EIS)测试结果表明,未修饰石墨电极的欧姆阻抗和传荷阻抗分别为17.1、163.6 Ω,PEDOT修饰电极分别为11、2.4 Ω,进一步说明PEDOT修饰能显著提高电极催化活性,降低电子传递阻力。(2)采用H型MFC,研究了 PEDOT修饰对丽春红2R(XP2R)脱色的影响。设置了三种脱色方法,分别为(a)PEDOT修饰阳极但外电路断开的MFC脱色(相当于厌氧脱色)、(b)石墨阳极的MFC脱色、(c)PEDOT修饰阳极的MFC脱色。MFC启动一次脱色和产电稳定后,移除阳极液的脱色和产电结果表明,脱色速度最快为PEDOT修饰电极MFC、其次是厌氧脱色,最差的为石墨阳极MFC脱色,a、b、c三种脱色方式的单位菌密度、时间和体积的脱色速率分别为6.82、6.27、8.02 mg·L-1·h-1·ODU-1。原因是换阳极液后,液体中的产电菌被移除,电极上吸附菌的数量决定了脱色速度。a、c均为PEDOT电极,因吸附微生物数量多,所以二次脱色速度快。同时,c脱色方式又好于a脱色方式,说明MFC产电有利于脱色。而b情况,由于石墨吸附细菌数量少,造成脱色慢。从产电结果看,PEDOT修饰阳极能显著提高产电,修饰和未修饰PEDOT的MFC电流密度分别为184、90 mA/m2。比较脱色速度和产电速度,发现74-119 h内,三种脱色均已经完成,但是,产电要到160h才达到最大输出电流密度。(3)采用H型MFC,研究了 PEDOT修饰对活性艳兰KN-R(RB19)脱色的影响。设置了三种脱色方法,方法同XP2R脱色,并得到一致的结果。脱色速度最快为PEDOT修饰电极MFC、其次是厌氧脱色,最差的为石墨阳极MFC脱色,a、b、c三种脱色方式的单位菌密度、时间和体积的脱色速率分别为4.52、4.21、5.30mg·L-1·h-1ODU-1,原因分析同(2)。从产电结果看,PEDOT修饰阳极能显著提高产电,修饰和未修饰PEDOT的MFC电流密度分别为192、110 mA/m2。比较脱色速度和产电速度,发现160 h内,三种脱色均已经完成,但是,产电要到190 h左右才达到最大输出电流密度。(4)初步探讨了 PEDOT提高脱色和产电的机理。扫描电镜结果显示,PEDOT修饰显著提高了产电菌在阳极表面的吸附量。由于电极表面的粗糙度远小于细菌尺寸,推测MFC脱色和产电能力的提高主要是由于PEDOT作用而不是电极表面粗糙度。从MFC脱色和产电实验结果看,产电和细胞生长有关,这些新生长的细胞进入阳极液。因此,综合分析,在本实验条件下,Shewanella sp.S2可能用分泌可溶性电子介体和细胞外膜上细胞色素的方法,进行胞外电子传递。染料是人类生产的产量大、环境影响显著的一大类有机化合物,目前国内外还未见基于PEDOT修饰阳极的MFC脱色报道。我们的研究结果表明,PEDOT修饰在MFC脱色和产电中的应用,具有很好的应用价值。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.45;TB33
【图文】：

示意图,工作原理,示意图,产电

因为氧气会阻碍产电，而阴极室若为特定的电子受体电解质，如铁氰化钾溶液，逡逑则也需要除氧。目前普遍使用的ＭＦＣ构型为Ｈ型，主要由阴阳极室、质子交换逡逑膜、外电路组成，工作原理如图１－１所示。逡逑５逡逑

路线图,实验设计,路线,氧化剂

＼邋／￣＼逡逑图１－２邋ＰＥＤＯＴ的分子结构逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＰＥＤＯＴ逡逑１．３．２邋聚３，４－乙烯二氡噻吩的合成方法逡逑１．３．２．１化学l#化聚合法逡逑化学氧化法合成导电聚合物ＰＥＤＯＴ的主要成分包括ＥＤＯＴ单体、氧化剂、逡逑掺杂剂和溶剂，合成条件和工艺较为复杂，反应速率１Ｓ且产率一般比较低，但制逡逑备的产物可根据使用的需要进行调整用量和用法。Ｃｏｒｒａｄｉ［６２］等人分别采用ＦｅＣｌ３、逡逑Ｃｅ（Ｓ０４）２和0＾４从６0＾０３）６作为氧化剂，采用化学氧化聚合法合成ＰＥＤＯＴ。研逡逑宄不同的实验条件对ＰＥＤＯＴ产率以及电导率的影响。当以ＦｅＣｌ３作氧化剂时，逡逑ＰＥＤＯＴ产率最大，但因为ＥＤＯＴ单体在水中溶解度不高，对产率都会有一定影逡逑响。逡逑Ｐａｒａｄｅｅ［６３］等人以过硫酸铵为氧化剂，通过化学氧化法聚合ＰＥＤＯＴ，研宄了逡逑不同类型表面活性剂（十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠）及不同浓度对聚合逡逑的影响。结果表明，ＰＥＤＯＴ颗粒的大小会受到表面活性剂的类型和浓度的影响。逡逑１．３．１电化学焌法逡逑电化学聚合与化学氧化法聚合相比较

阳极,石墨阳极,电极,小孔

并在方形石墨块一端打穿一个圆形小孔，用缠绕方式穿过小孔，初步形成电极。电极在使Ｈ、１邋Ｍ邋ＨＣ１中浸泡１邋ｈ１３Ｃ）］，然后用去离子水制备ＰＥＤＯＴ修饰石墨阳极逡逑石墨阳极（ＰＥＤＯＴ／Ｇ）制备方法如下：逡逑０１邋ＭＥＤＯＴ的单体溶液于圆柱形反应器中，作电极，Ａｇ／ＡｇＣｌ邋（３ＭＫＣ１）为参比电极，学工作站ＣＨＩ６６０Ｅ，选取ＣＶ法在工作电极置ＣＶ参数：扫描电压范围０－１．２邋Ｖ，扫描速置完成后开始聚合，聚合结束后自动停止。将出并用去离子水冲洗电极表面数次，浸泡于

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