聚吡咯改性复合阳极在海底微生物燃料电池中的应用及机理研究

发布时间：2017-05-15 09:19

  本文关键词：聚吡咯改性复合阳极在海底微生物燃料电池中的应用及机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：能源短缺和环境污染是当今世界面临的两大难题,寻找可再生能源是解决问题的必然选择。微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物分解废水和其他有机质产生电能的装置。由于原料来源广泛、清洁无污染、成本低等优点,MFC有很好的应用前景。海底微生物燃料电池(BMFC)是MFC的一种类型,其阳极在海底沉积层中,阴极在海水中。海泥中的微生物产生电子由阳极通过外电路传到阴极,电子和阴极处的氧气、氢离子发生还原反应,形成回路产生电流。海底沉积物中含有丰富的有机质,海水中溶有的氧气也在不断的补充和更新中,因此BMFC可以给低功率海洋探测仪器提供可持续的电源。但目前BMFC的低输出功率限制了其实际应用,而阳极是限制输出功率的重要因素。阳极改性可以显著提高电池输出功率,为此我们利用聚吡咯/碳纳米管复合材料及二氧化锰/聚吡咯复合材料作为海底微生物燃料电池阳极。从极化、电容、阳极表面与微生物之间的电子传递等方面探究了BMFC输出功率及其他电化学性能的影响因素。本文的主要研究内容和结论如下：(1)以十二烷基苯磺酸钠(SDBS)为掺杂剂,氯化高铁为氧化剂,采用化学氧化法制备了聚吡咯/多壁碳纳米管(PPy/MWCNTs)复合材料,并以该复合材料制备海底微生物燃料电池的阳极,测试了改性阳极及电池的电化学性能。研究表明：聚吡咯紧密包裹在MWCNTs表面,改性阳极最大交换电流密度0.66mA/cm2,是未改性的3.6倍。PPy/MWCNTs阳极接触角降低到60°左右,亲水性提高,更加利于细菌的附着。改性电池的最大功率密度为408.8 mW/m2,是未改性电池的5倍多,电池整体性能明显提高。循环伏安测试表明改性电极的电容是赝电容和双电层电容协同作用的结果,显著提高了电子传递效率和抗极化性能。本文还提出了一种阳极/生物膜界面电子传递的新机理。(2)以一水合硫酸锰和吡咯为主要原料,高锰酸钾和氯化高铁为氧化剂,采用化学原位法合成MnO2/PPy复合材料。利用扫描电子显微镜、红外光谱测试了其表面形貌和性质,结果显示MnO2/PPy复合材料为无固定形状。通过循环伏安、线性扫描伏安测试表明,MnO2/PPy复合材料具有典型的电容特征,电容较未改性电极提高了3.1倍,是PPy电极的2.5倍。改性复合阳极接触角减低至46°,电池内阻降低到300Ω,减小了电子的传递阻力。电极和电池的电化学测试表明,MnO2/PPy改性电池最大功率密度达到592.7 mW/m2,是未改性的2.2倍。文中推测了MnO2/PPy的合成机理,分析了复合材料对BMFC性能的影响。
【关键词】：海底微生物燃料电池 聚吡咯 多壁碳纳米管 二氧化锰 改性阳极 电化学性能
【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】：TM911.45
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-24
• 1.1 能源背景12-13
• 1.2 微生物燃料电池13-17
• 1.2.1 微生物燃料电池概念和原理13-14
• 1.2.2 微生物燃料电池常用材料14-16
• 1.2.2.1 阳极材料15-16
• 1.2.2.2 阴极材料16
• 1.2.3 微生物燃料电池的应用16-17
• 1.3 海底微生物燃料电池17-19
• 1.3.1 基本原理17
• 1.3.2 BMFC性能的影响因素17
• 1.3.3 BMFC阳极17-18
• 1.3.4 BMFC的优点18
• 1.3.5 BMFC的应用实例18-19
• 1.4 导电高分子复合材料19-22
• 1.4.1 导电高分子的基本概念19-20
• 1.4.2 导电高分子类型和导电过程机理20-21
• 1.4.3 导电高分子的掺杂21
• 1.4.4 碳纳米管导电复合材料21-22
• 1.4.5 导电高分子的应用进展22
• 1.5 本课题的研究内容及选题意义22-24
• 2 实验材料和测试方法24-29
• 2.1 实验药品和材料24
• 2.2 实验仪器和设备24-25
• 2.3 BMFCs性能测试表征方法25-29
• 2.3.1 扫描电子显微镜测试25
• 2.3.2 红外光谱测试25-26
• 2.3.3 电极表面润湿性测试26
• 2.3.4 极化曲线和塔菲尔曲线26-27
• 2.3.5 线性扫描伏安曲线27
• 2.3.6 电极电位和输出电压27
• 2.3.7 电池功率密度和循环伏安法27-28
• 2.3.8 电池内阻的测定方法28-29
• 3 PPy/MWCNTs改性复合阳极在BMFCs中的应用研究29-42
• 3.1 引言29-30
• 3.2 实验部分30-32
• 3.2.1 多壁碳纳米管的羧基化处理30
• 3.2.2 PPy和PPy/MWCNTs复合材料的制备30-31
• 3.2.3 电极制备及BMFC的构建31-32
• 3.2.4 测试研究方法32
• 3.3 结果与讨论32-41
• 3.3.1 阳极材料的结构表征和分析32-35
• 3.3.1.1 扫描电镜测试32-33
• 3.3.1.2 红外图谱33-34
• 3.3.1.3 润湿性测试34-35
• 3.3.2 阳极电化学性能测试35-38
• 3.3.2.1 极化曲线35-36
• 3.3.2.2 循环伏安曲线36-38
• 3.3.2.3 塔菲尔曲线38
• 3.3.3 电池性能38-40
• 3.3.3.1 电池功率密度曲线38-39
• 3.3.3.2 电池长期放电曲线39-40
• 3.3.4 机理分析40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 4 MnO_2/PPy改性复合阳极在BMFCs中的应用研究42-55
• 4.1 引言42-43
• 4.2 实验43-45
• 4.2.1 MnO_2/PPy复合材料的制备43
• 4.2.2 电极制备和BMFC构建43-44
• 4.2.3 测试与表征44-45
• 4.3 结果与讨论45-54
• 4.3.1 复合材料结构和表面性能45-47
• 4.3.1.1 红外光谱45-46
• 4.3.1.2 SEM测试46
• 4.3.1.3 阳极润湿性测试46-47
• 4.3.2 改性阳极电化学性能47-51
• 4.3.2.1 阳极极化曲线47-48
• 4.3.2.2 循环伏安测试48-49
• 4.3.2.3 线性扫描伏安测试49-50
• 4.3.2.4 塔菲尔曲线50-51
• 4.3.2.5 阳极表面微生物分析51
• 4.3.3 电池性能和内阻51-52
• 4.3.4 机理分析和讨论52-54
• 4.3.4.1 MnO_2/PPy复合材料聚合机理52-53
• 4.3.4.2 MnO_2/PPy阳极电子传递机制53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 5 结论55-57
• 5.1 本论文主要结论55-56
• 5.2 本文主要创新点56
• 5.3 有待进一步开展研究的工作56-57
• 参考文献57-63
• 致谢63-64
• 个人简历64
• 硕士期间发表的学术论文64

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