微生物燃料电池阳极改性及生物膜内部传递现象的研究
发布时间：2024-02-21 04:04
微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是近年来在环境保护和能源领域兴起的一项绿色产电新技术,它通过电活性微生物不断地从有机废物中提取能量并将其转化为电流,是与传质学、微生物学、电化学、材料科学和环境工程学等科学领域交叉融合而发展起来的一种全新的电能生产技术。MFC技术在污水处理、污染物处理、电解制氢、脱盐海水淡化、CO2转化和微生物传感器等方面具有巨大的应用前景。近年来,MFC技术受到广泛的关注。然而,能量密度低成为限制其实际应用的最大障碍。MFC阳极作为电活性生物膜生长和电子收集的部位,其表面性质(比表面积、导电性、生物相容性等)和其表面生物膜对它的性能有着直接而重要的影响。因此,优化阳极和阳极生物膜对提高整个MFC的功率密度输出具有非常重要的作用。本文针对阳极电极和阳极生物膜,展开以下两个方面的研究:阳极电极的优化和阳极电活性生物膜内部过程的表征。具体的研究工作如下:(1)三维大孔不锈钢纤维毡(SSFF)电极及其改性的研究。本文利用商用羧基化石墨烯(GN)、电化学法制备石墨烯(rGO,恒电位法)、碳纳米管(CNT)、活性炭(AC)和聚...
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景与意义
1.2 MFC工作原理
1.2.1 胞外电子传递机理
1.2.2 电化学热力学原理
1.2.3 生物膜内质量传输
1.2.4 电化学损失
1.3 阳极材料的研究进展
1.3.1 块状无孔电极
1.3.2 颗粒填充多孔电极
1.3.3 纤维多孔电极
1.3.4 网状大孔电极
1.4 阳极生物膜的研究进展
1.4.1 传统生物膜
1.4.2 电活性生物膜
1.4.3 生物膜内部的传输
1.4.4 微电极的使用
1.5 运行参数对生物膜性能的影响
1.5.1 极化电势
1.5.2 pH值
1.5.3 水力条件
1.5.4 其它参数
1.6 存在问题
1.7 本论文的主要研究内容和创新点
1.7.1 主要研究内容
1.7.2 主要创新点
第2章 碳纳米材料修饰MFC大孔阳极性能的研究
2.1 引言
2.2 材料与方法
2.2.1 试剂与材料
2.2.2 GN/SSFF电极的制备
2.2.3 MFC的接种
2.2.4 MFC构型及其运行
2.2.5 性能表征
2.3 结果与分析
2.3.1 电极形貌分析
2.3.2 电压曲线
2.3.3 功率密度曲线
2.3.4 循环伏安特性分析
2.3.5 阻抗谱分析
2.4 小结
第3章 聚苯胺修饰MFC阳极性能的研究
3.1 引言
3.2 材料与方法
3.2.1 试剂与材料
3.2.2 PANI/SSFF电极的制备
3.2.3 MFC的接种
3.2.4 MFC的运行
3.2.5 性能表征
3.3 结果与分析
3.3.1 PANI的形成过程
3.3.2 PANI/SSFF形貌分析
3.3.3 聚合圈数对MFC性能的影响
3.3.4 合成方法对MFC性能的影响
3.4 小结
第4章 电化学法制备大孔石墨烯改性阳极
4.1 引言
4.2 材料与方法
4.2.1 试剂与材料
4.2.2 rGO/SSFF电极的制备
4.2.3 MFC的接种
4.2.4 MFC的运行
4.2.5 性能表征
4.3 结果与分析
4.3.1 恒电位法还原GO
4.3.2 GO/SSFF和rGO/SSFF性能的对比
4.3.3 拉曼光谱
4.3.4 电镜扫描
4.3.5 电流密度曲线
4.3.6 阳极和阴极电位曲线
4.3.7 功率密度曲线
4.3.8 生物阳极的CV性能
4.3.9 重复实验组
4.4 小结
第5章 石墨烯纸作为MFC阳极性能的研究
5.1 引言
5.2 材料与方法
5.2.1 试剂与材料
5.2.2 GOpaper和rGOpaper的制备
5.2.3 MFC接种与运行
5.2.4 性能表征
5.3 结论与讨论
5.3.1 电极形貌表征
5.3.2 电极结构表征
5.3.3 电压和电流曲线
5.3.4 CV曲线
5.4 小结
第6章 阳极生物膜内电荷和质量传递阻抗
6.1 引言
6.2 材料与方法
6.2.1 半电池的构造
6.2.2 极化电位的选择
6.2.3 接种与运行
6.2.4 电化学测试
6.3 结果与讨论
6.3.1 电流密度曲线
6.3.2 电化学阻抗谱
6.3.3 循环伏安曲线
6.4 小结
第7章 电活性生物膜内pH值的分布
7.1 引言
7.2 材料与方法
7.2.1 半电池的构造
7.2.2 pH微电极系统
7.2.3 pH微电极测试
7.3 结论与讨论
7.3.1 阳极生物膜生长
7.3.2 pH-深度分布曲线
7.3.3 生物膜底部pH值变化
7.3.4 主体溶液pH值变化
7.3.5 生物膜底部与主体溶液之间的pH差值
7.3.6 循环伏安特性
7.3.7 缓冲溶液浓度对阳极生物膜的影响
7.4 小结
第8章 阳极电活性生物膜厚度
8.1 引言
8.2 材料与方法
8.3 结论与讨论
8.3.1 分层生物膜概念模型的引入
8.3.2 质子在电活性生物膜内的传递方式
8.3.3 电活性生物膜厚度的变化
8.3.4 生物膜内平均pH值的变化
8.4 小结
结论与展望
参考文献
攻读博士学位期间所发表的学术论文
致谢
本文编号：3905009
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景与意义
1.2 MFC工作原理
1.2.1 胞外电子传递机理
1.2.2 电化学热力学原理
1.2.3 生物膜内质量传输
1.2.4 电化学损失
1.3 阳极材料的研究进展
1.3.1 块状无孔电极
1.3.2 颗粒填充多孔电极
1.3.3 纤维多孔电极
1.3.4 网状大孔电极
1.4 阳极生物膜的研究进展
1.4.1 传统生物膜
1.4.2 电活性生物膜
1.4.3 生物膜内部的传输
1.4.4 微电极的使用
1.5 运行参数对生物膜性能的影响
1.5.1 极化电势
1.5.2 pH值
1.5.3 水力条件
1.5.4 其它参数
1.6 存在问题
1.7 本论文的主要研究内容和创新点
1.7.1 主要研究内容
1.7.2 主要创新点
第2章 碳纳米材料修饰MFC大孔阳极性能的研究
2.1 引言
2.2 材料与方法
2.2.1 试剂与材料
2.2.2 GN/SSFF电极的制备
2.2.3 MFC的接种
2.2.4 MFC构型及其运行
2.2.5 性能表征
2.3 结果与分析
2.3.1 电极形貌分析
2.3.2 电压曲线
2.3.3 功率密度曲线
2.3.4 循环伏安特性分析
2.3.5 阻抗谱分析
2.4 小结
第3章 聚苯胺修饰MFC阳极性能的研究
3.1 引言
3.2 材料与方法
3.2.1 试剂与材料
3.2.2 PANI/SSFF电极的制备
3.2.3 MFC的接种
3.2.4 MFC的运行
3.2.5 性能表征
3.3 结果与分析
3.3.1 PANI的形成过程
3.3.2 PANI/SSFF形貌分析
3.3.3 聚合圈数对MFC性能的影响
3.3.4 合成方法对MFC性能的影响
3.4 小结
第4章 电化学法制备大孔石墨烯改性阳极
4.1 引言
4.2 材料与方法
4.2.1 试剂与材料
4.2.2 rGO/SSFF电极的制备
4.2.3 MFC的接种
4.2.4 MFC的运行
4.2.5 性能表征
4.3 结果与分析
4.3.1 恒电位法还原GO
4.3.2 GO/SSFF和rGO/SSFF性能的对比
4.3.3 拉曼光谱
4.3.4 电镜扫描
4.3.5 电流密度曲线
4.3.6 阳极和阴极电位曲线
4.3.7 功率密度曲线
4.3.8 生物阳极的CV性能
4.3.9 重复实验组
4.4 小结
第5章 石墨烯纸作为MFC阳极性能的研究
5.1 引言
5.2 材料与方法
5.2.1 试剂与材料
5.2.2 GOpaper和rGOpaper的制备
5.2.3 MFC接种与运行
5.2.4 性能表征
5.3 结论与讨论
5.3.1 电极形貌表征
5.3.2 电极结构表征
5.3.3 电压和电流曲线
5.3.4 CV曲线
5.4 小结
第6章 阳极生物膜内电荷和质量传递阻抗
6.1 引言
6.2 材料与方法
6.2.1 半电池的构造
6.2.2 极化电位的选择
6.2.3 接种与运行
6.2.4 电化学测试
6.3 结果与讨论
6.3.1 电流密度曲线
6.3.2 电化学阻抗谱
6.3.3 循环伏安曲线
6.4 小结
第7章 电活性生物膜内pH值的分布
7.1 引言
7.2 材料与方法
7.2.1 半电池的构造
7.2.2 pH微电极系统
7.2.3 pH微电极测试
7.3 结论与讨论
7.3.1 阳极生物膜生长
7.3.2 pH-深度分布曲线
7.3.3 生物膜底部pH值变化
7.3.4 主体溶液pH值变化
7.3.5 生物膜底部与主体溶液之间的pH差值
7.3.6 循环伏安特性
7.3.7 缓冲溶液浓度对阳极生物膜的影响
7.4 小结
第8章 阳极电活性生物膜厚度
8.1 引言
8.2 材料与方法
8.3 结论与讨论
8.3.1 分层生物膜概念模型的引入
8.3.2 质子在电活性生物膜内的传递方式
8.3.3 电活性生物膜厚度的变化
8.3.4 生物膜内平均pH值的变化
8.4 小结
结论与展望
参考文献
攻读博士学位期间所发表的学术论文
致谢
本文编号：3905009
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/3905009.html
