基于纳米硅藻材料的MFC阳极制备及性能研究

发布时间：2020-07-04 02:11

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一种可以利用污水发电的装置,因而具有非常巨大的潜在用途。然而目前的MFC存在着输出功率低等普遍问题,其中阳极材料是影响MFC性能的主要的因素之一。性能优异的阳极材料应该具备导电性能强、化学性质稳定、比表面积大等优点。金属有机框架材料(MOF)具有比表面积大、多孔、材料组成可调的特点,是一种潜在的电极材料。本论文制备了铜、锌的MOF材料,掺入客体金属盐,高温碳化并洗涤,最终得到具有多级结构的纳米硅藻材料,考察了其作为MFC阳极的性能以及材料组成对MFC性能的影响。通过水热法合成经典的MOF材料HKUST-1,经过碳化、洗涤等处理后最终制备四种具有硅藻形态的碳材料,记为Cu-ATM、Cu-ATT、Zn-ATM、Zn-ATT。通过对四种纳米硅藻材料的一系列物理表征,证明材料的成功合成。综合评价结果表明,四种材料的石墨化程度相近,其中以Cu-ATM的形貌硅藻化程度最高,相应的比表面积最大为841.94 m~2/g,远大于Cu-ATT、Zn-ATM和Zn-ATT。电极的电化学测试说明纳米硅藻材料能降低阳极电阻,且Cu-ATM电阻最小。考察了Cu-ATM、Cu-ATT、Zn-ATM、Zn-ATT四种材料作为MFC阳极的性能。研究表明四种材料对MFC性能都有一定程度的提升,其中对于MFC的输出电压来说,以Zn-ATM最高为0.635 V,且启动时间最短为2.2天,碳布电压最低(0.587 V),启动时间最长为7天。对于MFC的输出功率,则以Cu-ATM最高为3.30 W/m~2,其次是Cu-ATT为3.10 W/m~2,碳布最低为2.44 W/m~2。同样的,Cu-ATM材料组装的MFC具有更高的COD去除效率,COD降解率最高为74.41%。电极微生物群落分析表明阳极微生物主要为产电菌Geobacter,材料组成影响微生物群落结构,其中Cu-ATT电极表面Geobacter占比最高,与其其较高的功率密度的结果一致,表明材料对产电菌的富集亦是改善MFC性能的主要原因。总之,四种纳米硅藻材料对MFC的产电性能具有一定的提升,对比各个材料,Cu-ATM和Cu-ATT的结构稳定、导电性好、电池性能等方面均优于Zn-ATM和Zn-ATT,说明基于Cu的材料更佳。与此同时,通过对比掺ATM和ATT显然掺ATM效果更好。本论文所制备的纳米硅藻材料有望成为一种新型的电极材料,并为构建高性能的MFC阳极材料提供了一种新的思路。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4
【图文】：

图 1-1 微生物燃料电池工作原理（双室）常以乙酸钠作为细菌发电底物，其反应方程式为：-+ 2H2O → 2CO2+ 7H++ 8e- + 4e- → 2H2O 物燃料电池性能的因素电池的性能评价指标常以其电压和功率作为重要参等化学电池 MFC 电压的产生要复杂许多。在 MFC 长定植在电极表面，产生酶类或是一些结构来完成多种微生物同时存在的混合细菌的 MFC 体系中，相同，即使是单一的纯菌体系 MFC 其微生物产生受到各种因素的影响。但是，根据电子供受体的热压可以计算出其上限值[15]。

图 1-3 各种石墨烯类的 MFC 阳极a)石墨烯微片；b) 皱折氧化石墨烯颗粒；c)具有 3D 石墨烯大孔支架的小型化 MFC 示意图；d)3D 石墨烯大孔支架.1.3 碳纳米管碳纳米管（CNT）是碳的另一种同素异形体，与石墨烯类似，其中碳原子边形排列，碳原子以 sp2杂化为主，同时六角形网络结构存在一定程度的，可以看作是石墨烯片层卷曲而成，可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。米管具有化学惰性和良好的机械稳定性和导电性等优点，是一种很有前景极材料，已被用作 MFC 中的阳极电极改性剂[48]。

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本文编号：2740484