石墨烯基改性阳极在海底微生物燃料电池中的电化学性能研究

发布时间：2017-11-06 21:18

  本文关键词：石墨烯基改性阳极在海底微生物燃料电池中的电化学性能研究

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【摘要】：微生物燃料电池(MFC)是一种新型的生物电化学装置,通过微生物的新陈代谢将生物质能转换为电能。阳极区域,有机物被氧化释放出电子和质子,电子通过外部电路流向阴极产生电流：阴极区域,氧与电子和质子反应生产水。海底微生物燃料电池(BMFC)是微生物燃料电池的一种,具有可持续、环境友好、免维护等优点,也用于海底监测仪器长期电源,具有重要的研究意义。BMFC的问题在于其较低输出功率限制了进一步的应用。阳极材料的表面性质对电池性能具有重要的影响。近年来,用不同的材料改性阳极,促进阳极表面细菌粘附和电子转移,已经成为提高BMFC产电能力的有效方法。本论文主要应用石墨烯材料改性电池阳极,研究改性阳极对BMFC性能的影响,主要研究如下：(1)利用2-羟基-1,4-萘醌(HNQ)和氧化石墨烯(GO)制备复合改性阳极,并研究其电化学性能。结果表明,GO/HNQ改性阳极的交换电流密度是空白电极的6.58倍,达到290.8 mA/m2。GO/HNQ改性使BMFC的最大功率密度达到346 mW/m2,是空白组的3.46倍。紫外检测结果表明GO特征峰呈现显著红移,这可能与GO和HNQ之间的π-π堆积有关,提出改性阳极表面新的电子转移机理。(2)利用石墨烯/Fe3O4复合材料制备改性阳极,并研究其电化学性能。结果表明：石墨烯/Fe3O4复合改性阳极具有较高的抗极化性能,改性阳极的交换电流密度达到346.77 mA/m2,电子转移动力学性能提是空白电极的9.8倍；电池的最大功率密度达到471.7 mW/m2,与空白电极相比提高了2.9倍。石墨烯与Fe3O4之间的协同作用是电池性能提高的主要机理。(3)采用化学还原法制备石墨烯,并用不同质量(0.01 g、0.02 g、0.05 g)的石墨烯修饰碳毡电极,得到改性阳极。结果表明：0.05 g石墨烯改性阳极的抗极化性能最好,电池的最大功率密度为457.4 mW/m2(0.01 g改性电池的为312.9 mW/m2)。最后本文认为,石墨烯较大的比表面积可能有利于细菌的附着,以及石墨烯优良的导电性是提高电池性能的原因。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11;TM911.45

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