微生物燃料电池的碳阴极改性研究

发布时间：2020-07-05 03:53

【摘要】：近年来,随着对微生物燃料电池(MFC)的深入研究,发现MFC在作为可替代绿色能源及节能高效处理废水领域具备越来越广阔的发展前景。由微生物供电的MFC具有清洁和可持续的特征,在自然条件下它能有效的催化降解一系列有机基质。然而,尽管目前关于MFC的研究越来越多,但其产电性能依旧存在瓶颈,实现其放大化、规模化并投入实际应用仍需要不断的探索。影响MFC产电性能的因素很多,但阴极的氧还原催化性能是一个关键的制约因素。本课题旨在对MFC阴极催化剂特性、影响因素及改进方法进行研究,探求性能优良的碳基材料阴极催化剂。由于炭材料导电性和表面能态较高,容易失去电子而呈现还原性。作为MFC阴极催化剂与铂炭相比具有较高的性价比,得到了很多研究者的青睐。与其他炭材料相比,石墨烯具备优良的化学、电学和力学等性能。而氮原子半径与碳原子相近,且电负性较高,通过氮修饰石墨烯可以达到调整石墨烯能带结构的效果,并借助与Fe之间的协同效应,可提升MFC输出功率密度和耐久性能。研究者对此进行了大量研究。但由于这些使用的石墨烯性能差别较大、应用环境条件不一,对石墨烯效果的研究仍然不系统。本文首先考察了 Fe-N与石墨的混合比例对MFC产电性能的影响,由此选取最佳配比。结果显示:随着Fe-N含量的增加,Fe3C和FeNx的结晶峰更明显,强度更高,结晶效果更好;当Fe-N与石墨的混合比例为4:1时催化性能最佳。在此结果的基础上,本课题探讨了 Fe-N分别掺杂高导电石墨烯(HCG)、高活性石墨烯(HAG)及单层石墨烯(SLG)时催化性能的差别,以及碳化保温时间对催化剂的微观形貌及催化性能的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)观察,显示催化剂均形成了晶体粒子,并且在Fe-N掺杂单层石墨烯(Fe-N/SLG)催化剂中的片层上形成了直径为0.1-1μm的簇状碳管。簇状碳管的形貌受保温时间影响会先产生后消失。当保温时间为90～180min时,簇状碳管的形貌最佳,热重质谱联用(TG-MS)测试结果进一步印证了簇状碳管产生和消失机理。X射线光电子能谱(XPS)对催化剂表面的元素种类及含量进行对比,得出不同类石墨烯催化性能差异的原因来自于Fe、N、O元素含量及吡啶氮、石墨氮的总量不同,因此具有不同的活性位点数量。利用K-L方程计算了催化剂催化氧还原反应(ORR)时的转移电子数(n),发现本实验使用的催化剂ORR反应历程均是以4电子方式主导的过程。通过电化学性能测试及旋转圆环盘电极技术(RDE)对阴极催化剂ORR催化性能的测试,表明Fe-N/SLG的催化性能最佳,MFC达到稳定产电时的最大功率密度为1210mW/m2。此外,本课题首次使用铁掺杂聚酰胺酸(Fe-PAA)作为阴极催化剂,并研究了铁掺杂结构不同的聚酰胺酸(PAA)、不同的碳化温度及碳化保温时间对Fe-PAA作为阴极催化剂的结构及性能的影响,得到的结论如下:(1)铁元素掺杂PMDA(均苯四甲酸二酐)/p-PDA(对苯二胺)缩合聚合而成的PAA时,得到的催化剂催化效果较好;(2)虽然PAA本身含氮,但Fe的掺杂能有效提高其催化活性;(3)碳化温度为800℃,保温时长为90min时,Fe-PAA具备最优异的催化效果,MFC获得的最大功率密度为984±29mW·m-2,氧还原电子转移数为3.55。PAA本身含有氮元素并易于制备,这将大大降低阴极催化剂制备成本,提高制备效率,对实现MFC商业化和实际应用扩大化具有重要意义。总之,长有碳管石墨烯及铁掺杂的含氮聚酰胺酸作为MFC阴极催化剂,不仅能够为从技术和经济性的角度优化MFC,并为其设计与运行提供切实可行的理论依据,而且对MFC反应系统的放大研究也存在参考和指导意义。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.45
【图文】：

微生物燃料电池,基本工作原理

池系统设计改造比较方便，而单室ＭＦＣ的电极之间没有质子交换膜，但库仑效率通逡逑常只有３０％左右。其他分类方式本文不再一一赘述。逡逑以双室ＭＦＣ为例，它是由阴极室和阳极室组成（图１－１）。污泥或污水中的有机逡逑物等营养物质通过阳极附着的产电菌的代谢活动，产生电子、质子以及其他代谢物，逡逑电子首先通过介质传送至阳极的表面，然后沿着外部电路移至阴极，而质子可通过电逡逑池内部的交换膜到达阴极。阴极表面的氧化态物质（如0２）可与来自阳极的质子、电逡逑子反应产生电流，使化学能转化为电能。逡逑逦１逦逡逑媭．．．．．．．！逦ｉ逡逑Ｈ＊＿邋＿逡逑Ｘ．邋0２逡逑Ａｎｏｄｅ邋ｄｍｎｔｉｃｒ逦Ｃａｔｈｏｄｅ邋ｃｈａｍｂｅｒ逡逑图１－１微生物燃料电池的基本工作原理逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｂｉａｌ邋ｆｕｅｌ邋ｃｅｌｌｓ逡逑２逡逑

立方体,产电

Ａ：邋ＣＵＤ＃邋ＭＦＣ逦；邋Ｂｌ邋Ｔｕｔｌｔｉ邋ＭＦＣ逦ｒａｒＷｎ邋ｆｉｌｖｒ邋ｒＵ＜ｌｉ逡逑图１－３立方体ＭＦＣ与管状ＭＦＣ的结构示意图逡逑Ｆｉｇ．１－３邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ｃｕｂｉｃ邋ＭＦＣ邋ａｎｄ邋ｔｕｂｕｌａｒ邋ＭＦＣ逡逑郭坤等［５３］采用膜电极，构建了一种装配较为方便的短壁型ＭＦＣ邋（如图１－４），探逡逑宄了在不同运行条件下，用夹子将膜和载Ｐｔ碳纸固定在一起的电极的产电特性，除此逡逑之外，也研究了底物浓度对电池产电性能的影响，展望了这种短臂型ＭＦＣ在ＢＯＤ传逡逑感器方面的应用价值。逡逑上流式单室ＭＦＣ实验装置及实验流程如图１－５所示。赵立新等利用上流式单逡逑室ＭＦＣ对底物葡萄糖的含量及电解质浓度与ＭＦＣ产电性能之间存在的关系进行了探逡逑讨。ＭＦＣ的扩大化是实现其在“电解制氢”、海水淡化、污水处理等的必然途径，而逡逑研究表明ＭＦＣ尺寸大小与输出功率呈负相关。逡逑８逡逑

【参考文献】