电容性阳极材料应用于微生物燃料电池的基础问题研究

发布时间：2019-08-28 09:48

【摘要】：微生物燃料电池（Microbi fuel cell，MFC）是一种利用微生物将废水中的生物质能直接转化成电能的新兴技术。但MFC产电功率低制约了它作为一种可持续能源在实际废水处理中的应用。阳极电子传递速度缓慢是造成功率密度低的一项重要原因，该问题可通过阳极修饰得到改善。因此，本文第一部分的研究通过阳极修饰来提高阳极的电子传递效率。结果显示，经过RuO2和吡咯/石墨烯氧化物（PPy/GO）电容性材料修饰的石墨毡阳极能显著提高电池的最大功率密度，最大功率密度分别达到3080和1326mW/m2，较未修饰电池分别提高了17倍和7倍。循环伏安（Cyclic voltammetry，CV）、电化学阻抗（Electron impedance spectroscopy，EIS）以及扫描电镜（Scanning electron microscopy，SEM）测试结果表明，修饰后的阳极比表面增大、电阻减小以及阳极附着细菌数目的增加是电池性能提高的主要原因。 近年来，为了加速阳极电子传递过程，大量的研究致力于碳基阳极的修饰。然而，现有的大多数研究忽略了这些修饰材料所具有的性质同样是发展具有高电容性的超级电容器电极材料所需的。但当此类具有电容性的材料用在阳极时，由于阳极充放电对传统变外电阻（Varying circuit resistance，，VCR）和线性扫描（Linear sweep voltammetry，LSV）法测得功率的贡献，会导致对MFC产电性能的高估。本文第二部分的研究是明确阳极电容对MFC暂态功率和稳态功率的影响。结果发现，当VCR和LSV法用于测试PPy/GO修饰的石墨毡阳极MFC的功率时，会出现明显的暂态功率。通过定量计算计算了不同影响因素对测试最大功率密度数值的贡献，表明当稳定时间（对VCR法）不是足够长以及扫速（对于LSV法）不是足够慢的时候，存储在高电容阳极中的生物电子是增大测试功率密度的主要贡献源。 另外，通过利用赝电容材料的储电能力，本文第三部分工作将包含有聚吡咯/9,10-蒽醌-2-磺酸二钠盐（9,10-anthraquinone-2-sulfonic acid sodium salt，AQS）复合膜或二氧化钌纳米颗粒的

本文编号：2530073