适用于微生物燃料电池空气阴极的制备及电化学性能研究

发布时间：2017-10-05 22:32

  本文关键词：适用于微生物燃料电池空气阴极的制备及电化学性能研究

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【摘要】：面对日益严重的水体污染以及水资源匮乏,如何将废水重复利用是解决水体问题的重要举措。为了满足实际应用过程的扩大化生产,单室微生物燃料电池(MFC)是最常用的燃料电池之一,而影响单室MFC性能最重要的因素是阴极的材料、制备以及成本。对于空气阴极的制备通常选用价格便宜的活性炭或掺杂Pt等贵金属的活性炭作为阴极材料。活性炭和二氧化锰是单室MFC中最常用的阴极材料,其良好的催化活性以及低廉的成本是选择这两种材料的原因。近几年,有研究表明可以利用扩散层的制备方法来制作电极的催化层以及空气阴极,本文在此基础之上,通过研究和测试两种不同空气阴极的制备方法,对其电化学性能进行验证。同时考察了碱性pH条件下单室MFC空气阴极的细菌生长情况,并对其形貌及性能做了进一步的分析。1.活性炭/PTFE空气阴极的制备及其性能本章主要研究并讨论了活性炭与聚四氟乙烯(PTFE)按照一定比例制作而成空气阴极。并对其进行形貌、蛋白质含量及电化学性能测试。研究结果表明,扩散层聚四氟乙烯滤膜具有良好的疏水性和透气性,能够使空气中的氧气顺利进入电极表面。同时,蛋白质含量测得样品浓度为0.076 g/mol,放电周期长且性能稳定,最高电压可达到517 mV。电池的输出电压随电流的增大而减小,以AC为阴极的MFC可承受的最大电流为27 mA,最大功率密度为(2317±12)mW/m2,高于CCbP和CbCP电极。另一方面,通过电化学阻抗谱图可以看出AC阴极具有最小的总内阻,因此,AC是这三种材料中最适合的生物阴极。2.涂层法空气阴极的制备及其性能本章主要研究并讨论了两种不同粘结剂对空气阴极的影响,同时在使用最优粘结剂的基础上,对活性炭与玻璃胶的比例、扩散层的层数进行了比较与分析。研究结果表明,选用玻璃胶作为粘结剂时表现出良好的防水性和透气性,且表明平整光滑,有利于电极的组装。当活性炭与玻璃胶比例为7：3时可以获得较高的开路电压,且线性扫描时最大极限电流可以达到35 mA；当扩散层厚度涂抹一层时,电极表现出较好的性能,最大极限电流可以达到36 mA。3.碱性体系MFC电池的启动及其电化学性能的研究我们主要研究讨论了pH=9、10、11、12四种碱性条件下微生物燃料电池放电情况,同时与pH=7中性条件进行对比。经研究发现,相较于PH=7体系中放电电压500 mV,pH=10时电池的放电电压530 mV,放电周期100 h,且每一周期的电量和电功均高于pH=7时的值。但碱性体系中存在多种杂菌,造成电极电性能测试的不稳定性。在pH=10时,底物浓度越高对电池的放电效果越好,生物阳极表面附着的生物量越多。
【关键词】：活性炭 PTFE 空气阴极 粘结剂 碱性体系 电化学性
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM911.45
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-9
• 第一章 绪论9-28
• 1.1 引言9-10
• 1.2 微生物燃料电池的发展历史10-11
• 1.3 微生物燃料电池的研究现状11-14
• 1.3.1 室MFC的基本原理11-13
• 1.3.2 单室MFC基本原理13-14
• 1.3.3 微生物燃料电池的分类14
• 1.4 MFC阴极催化剂的重要性及发展现状14-18
• 1.5 课题研究目的、意义与主要内容18-20
• 1.5.1 研究目的、意义18
• 1.5.2 主要内容18-20
• 1.6 参考文献20-28
• 第二章 活性炭/PTFE空气阴极的制备及其性能28-43
• 2.1 引言28-29
• 2.2 材料与方法29-33
• 2.2.1 主要试剂及仪器29-30
• 2.2.2 实验装置30-31
• 2.2.3 电极的制作与处理31-33
• 2.2.4 蛋白质含量测定33
• 2.2.5 场发射扫描电子显微镜33
• 2.3 实验方法33-35
• 2.3.1 MFC电池的启动33-34
• 2.3.2 电化学分析方法34-35
• 2.4 结果与讨论35-40
• 2.4.1 场发射扫描电镜35-36
• 2.4.2 蛋白质测定曲线36
• 2.4.3 时间-电压放电曲线36-37
• 2.4.4 极化曲线和功率密度37-39
• 2.4.5 电化学阻抗谱分析39-40
• 2.5 本章小结40-41
• 2.6 参考文献41-43
• 第三章 涂层法空气阴极的制备及其性能43-59
• 3.1 引言43
• 3.2 实验材料与方法43-47
• 3.2.1 构建单室MFC反应器的材料43-45
• 3.2.2 制备空气阴极时所需的材料45
• 3.2.3 单室MFC启动所需的实验试剂及仪器45-46
• 3.2.4 单室MFC启动后所用仪器46
• 3.2.5 接触角测试方法46
• 3.2.6 电化学测试方法46-47
• 3.3 涂层法制备空气阴极47-49
• 3.3.1 不同玻璃胶含量空气阴极的制备47-48
• 3.3.2 不同防水层厚度空气阴极的制备48-49
• 3.4 结果与讨论49-55
• 3.4.1 粘结剂与活性炭不同比例对空气阴极性能的影响49-53
• 3.4.1.1 催化层的亲/疏水性测试49-51
• 3.4.1.2 开路电势及平衡时间曲线51-52
• 3.4.1.3 线性电势扫描法(LSV)52
• 3.4.1.4 氧气扩散速率52-53
• 3.4.2 不同防水透气层厚度对空气阴极性能的影响53-55
• 3.4.2.1 开路电势及平衡时间53-54
• 3.4.2.2 线性电势扫描法(LSV)54-55
• 3.5 本章小结55-57
• 3.6 参考文献57-59
• 第四章 碱性体系MFC电池的启动及其电化学性能59-75
• 4.1 引言59-60
• 4.2 实验材料与方法60-62
• 4.2.1 实验仪器与试剂60
• 4.2.2 实验装置及启动60-62
• 4.2.2.1 实验装置60-61
• 4.2.2.2 PH=10碱性MFC接种与启动61-62
• 4.3 场发射扫描电镜62
• 4.4 实验结果与分析62-72
• 4.4.1 pH=10碱性体系的建立62-66
• 4.4.1.1 pH=10双室MFC放电曲线62-63
• 4.4.1.2 pH=10单室MFC放电曲线63-64
• 4.4.1.3 pH=7单室MFC放电曲线64-65
• 4.4.1.4 电量、电功分布图65-66
• 4.4.2 场发射扫描电镜66-67
• 4.4.3 不同pH阳极溶液电化学性能测试67-69
• 4.4.3.1 pH=10不同体系的建立67
• 4.4.3.2 线性扫描——LSV67-68
• 4.4.3.3 极化曲线68-69
• 4.4.4 不同底物浓度的放电情况69-72
• 4.4.4.1 不同底物浓度的放电曲线70-71
• 4.4.4.2 电量、电功分布图71-72
• 4.5 本章小结72-73
• 4.6 参考文献73-75
• 第五章 总结与展望75-77
• 攻读硕士学位期间发表论文77-78
• 致谢78-79

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