3D打印微生物燃料电池阳极及其性能特性

发布时间：2021-08-04 23:00

　　微生物燃料电池是一种处理废水同时产生电能的新型装置,阳极作为微生物燃料电池的重要组件极大地影响电池性能。针对微生物燃料电池传统三维电极结构不合理导致电极内部物质传输受限,电池功率密度较低的问题,本文采用3D打印技术并碳化的方式构建了结构可控的微生物燃料电池阳极,通过热重分析得到合适的碳化条件,并通过进一步的电化学分析和电极微观形貌拍摄研究了电极内部孔道结构对微生物生长情况和电池性能的影响。实验结果表明:电极孔径尺寸为0.4mm时,电池具有最优性能,其最大功率密度达12.85W/m2,比采用碳布阳极的MFC提升10倍,较采用碳毡阳极的燃料电池高38%;具有可控孔道结构电极的传荷阻抗和传质阻抗是限制电极性能的主要因素,通过优化孔道尺寸和结构分布可降低其传荷及传质阻抗,可以进一步提升电池性能。 

【文章来源】：化工进展. 2020,39(10)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

MFC工作原理示意图

对MFC进行启动：向阳极腔室接种250m L含有产电菌的菌悬液（50m L）、培养基和磷酸盐缓冲溶液（PBS）作为阳极液，并向阴极腔室注入250m L已知浓度的铁氰化钾和PBS的混合溶液作为阴极液。其中，阳极培养基的成分为有机底物（CH3COONa·3H2O2,COD含量为1500mg/L）、微量元素以及亚微量元素，PBS溶液成分为Na2HPO4·12H2O和KH2PO4，浓度为50mmol/L。阴极液的成分为50mmol/L PBS溶液和50mmol/L铁氰化钾的混合溶液。在MFC启动过程中，阳极腔室内进行磁力搅拌，转速为200r/min，并使MFC在50Ω的外接负载下运行。待电池的产电电流下降至峰值电流的10%以下时，将MFC更换新鲜的阳极液和阴极液，直到连续几次换液后电池的最大电流不再上升，即表明阳极生物膜挂膜成功，电池启动完成。启动阶段电池电压及电极电位均由数据采集器（34970A,Agilent,，加利福尼亚州，美国）进行记录。所有实验步骤均在温度为30℃±1℃的恒温室中进行。1.3 电池性能测试

热重曲线表明，电极碳化热解过程主要分3个阶段。在室温到380℃这一阶段，电极质量随温度升高缓慢下降，电极结构受温度变化影响较小，因此在该碳化阶段可以设置较高的升温速率(3℃/min)。在380～440℃这一阶段，电极质量随温度升高迅速缩减80%，电极结构急剧变化。因此该阶段升温速率的设置很大程度上决定了电极能否保持原有形貌结构，而较高的升温速率容易造成电极塌陷，因此在碳化过程中该温度梯度的升温速率设为0.2℃/min。在440～800℃这一阶段，电极质量几乎不随温度升高变化，因此该阶段可以提升升温速率至3℃/min。图4(a)示出了碳化前后3D打印电极的对比情况，如图所示，碳化后电极的边长与未碳化的比值为1.03±0.01。图4(b)示出了碳化后3D打印电极内部孔道结构形貌，可以观测到碳化后的电极内部具有均匀规则的孔道结构，且孔道平均尺寸也缩为原来的0.5±0.08（碳化前孔道尺寸为0.6mm，碳化后孔道尺寸为0.3mm±0.05mm），表明此电极制作方式具有尺寸精确可控的特点。图4 碳化电极形貌图

【参考文献】：
期刊论文
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[3]PEDOT/MWCNTs复合阳极的制备及在MFC中的应用[J]. 刘兴倩,王许云,郭庆杰.  化工学报. 2013(05)
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本文编号：3322558