微生物燃料电池多孔阳极的制备及阳极改性研究
发布时间：2021-11-09 04:40
以石墨粉为阳极基体,使用相转换法,制备了一种孔隙梯度分布的多孔阳极材料。将这种阳极组装为双室型微生物燃料电池进行电化学性能测试。另外,在阳极中添加了10%石墨质量比的聚苯胺,对阳极进行改性。相转换的改性方式能够使聚苯胺与阳极颗粒均匀混合,保证了改性的效率。电化学测试结果表明,单纯石墨阳极的功率密度为26.3mW·m-2。而添加了聚苯胺后,功率密度提高到了80.2mW·m-2。阻抗谱测试也显示,添加聚苯胺后的阳极,其欧姆阻抗与界面阻抗均有一定程度的降低。
【文章来源】：化学研究与应用. 2020,32(05)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
阳极截面模拟图(a)及双室型MFC单电池图片(b)
图3为阳极的SEM图片。图3(a)为阳极指状孔的截面图。从图中可以看出,通过相转换法,能够制备出相转换工艺特有的孔隙结构,由上而下的孔隙大体呈现一种梯度状分布,即表面是一些大的指状孔,而内部的则是一些致密的孔隙结构。由图3(b)可更加清晰地看到,在图3(a)的黑色圈内,阳极结构的内部是一种均匀的小孔结构。通过相转换法制备得到的这种多孔阳极能够极大地增加阳极的比表面积,测试结果表明,阳极的比表面积在0.002 3～0.002 5m2·g-1之间。这种大的比表面积有利于微生物的进入与生长,且阳极电解液在这种结构中应受到更小的传质阻力,这些都有助于提高阳极的性能。而添加聚苯胺后,阳极的比表面积没有发生明显变化。图3(c)和图3(d)分别为单纯石墨阳极与添加聚苯胺后的阳极微观结构的SEM图片。由图中可以看出,负载聚苯胺的阳极(图3(d)),阳极间的孔隙变得更加致密与均匀,这种变化应与阳极表面微生物附着量的改变有关。微生物附着量测试结果也表明,负载聚苯胺的阳极,微生物附着量为阳极干重的2.5%,而单纯石墨阳极为1.7%。以上测试结果显示,相转换工艺能够制备得到具有较大比表面积的多孔阳极,并使聚苯胺与阳极颗粒均匀混合。适量的聚苯胺能够提高微生物与碳基阳极颗粒之间的生物相容性,有利于细菌对阳极的附着。随后的功率密度与阻抗谱测试也与此相符合。2.2 电化学性能测试
图4为两种不同阳极组装的电池的电化学性能测试结果。其中图4(a)为多孔石墨阳极的电流密度,开路电压和比功率曲线,图4(b)为添加聚苯胺的阳极的测试结果。从图中可以看出,通过相转换法制备得到的多孔石墨阳极,其开路电压为0.65v,功率密度为26.3mW·m-2。这也说明了相转换法制备MFC多孔阳极的可行性。而在阳极中加入10%石墨质量比的聚苯胺后,相同条件下,电池的功率密度有了明显上升,为80.2mW·m-2,功率密度的提高可能与聚苯胺具有良好的电化学活性和生物相容性有关。图4(c)为两种阳极的阻抗谱测试。结果表明,单纯的石墨阳极(图4c(1))中,界面电阻占了总电阻很大的比重。而在阳极中负载了聚苯胺(图4c(2))后,阳极的欧姆阻抗与界面电阻均有了一定程度的下降,且界面电阻的比重有了显著的减少。这种变化可能与聚苯胺有利于微生物生物膜的形成,能够提高细菌与阳极间的电子传输效率密切相关。随后的电压稳定性测试表明,负载聚苯胺的阳极(图4d(2))分别在1、3、5、7天后测试,其电压的衰减也要更小。通过这些电化学测试结果,能够证明在碳基阳极中加入聚苯胺进行改性,可以优化阳极的性能。3 结论
本文编号：3484643
【文章来源】：化学研究与应用. 2020,32(05)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
阳极截面模拟图(a)及双室型MFC单电池图片(b)
图3为阳极的SEM图片。图3(a)为阳极指状孔的截面图。从图中可以看出,通过相转换法,能够制备出相转换工艺特有的孔隙结构,由上而下的孔隙大体呈现一种梯度状分布,即表面是一些大的指状孔,而内部的则是一些致密的孔隙结构。由图3(b)可更加清晰地看到,在图3(a)的黑色圈内,阳极结构的内部是一种均匀的小孔结构。通过相转换法制备得到的这种多孔阳极能够极大地增加阳极的比表面积,测试结果表明,阳极的比表面积在0.002 3～0.002 5m2·g-1之间。这种大的比表面积有利于微生物的进入与生长,且阳极电解液在这种结构中应受到更小的传质阻力,这些都有助于提高阳极的性能。而添加聚苯胺后,阳极的比表面积没有发生明显变化。图3(c)和图3(d)分别为单纯石墨阳极与添加聚苯胺后的阳极微观结构的SEM图片。由图中可以看出,负载聚苯胺的阳极(图3(d)),阳极间的孔隙变得更加致密与均匀,这种变化应与阳极表面微生物附着量的改变有关。微生物附着量测试结果也表明,负载聚苯胺的阳极,微生物附着量为阳极干重的2.5%,而单纯石墨阳极为1.7%。以上测试结果显示,相转换工艺能够制备得到具有较大比表面积的多孔阳极,并使聚苯胺与阳极颗粒均匀混合。适量的聚苯胺能够提高微生物与碳基阳极颗粒之间的生物相容性,有利于细菌对阳极的附着。随后的功率密度与阻抗谱测试也与此相符合。2.2 电化学性能测试
图4为两种不同阳极组装的电池的电化学性能测试结果。其中图4(a)为多孔石墨阳极的电流密度,开路电压和比功率曲线,图4(b)为添加聚苯胺的阳极的测试结果。从图中可以看出,通过相转换法制备得到的多孔石墨阳极,其开路电压为0.65v,功率密度为26.3mW·m-2。这也说明了相转换法制备MFC多孔阳极的可行性。而在阳极中加入10%石墨质量比的聚苯胺后,相同条件下,电池的功率密度有了明显上升,为80.2mW·m-2,功率密度的提高可能与聚苯胺具有良好的电化学活性和生物相容性有关。图4(c)为两种阳极的阻抗谱测试。结果表明,单纯的石墨阳极(图4c(1))中,界面电阻占了总电阻很大的比重。而在阳极中负载了聚苯胺(图4c(2))后,阳极的欧姆阻抗与界面电阻均有了一定程度的下降,且界面电阻的比重有了显著的减少。这种变化可能与聚苯胺有利于微生物生物膜的形成,能够提高细菌与阳极间的电子传输效率密切相关。随后的电压稳定性测试表明,负载聚苯胺的阳极(图4d(2))分别在1、3、5、7天后测试,其电压的衰减也要更小。通过这些电化学测试结果,能够证明在碳基阳极中加入聚苯胺进行改性,可以优化阳极的性能。3 结论
本文编号：3484643
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3484643.html
