石墨烯修饰电极强化微生物燃料电池性能研究

发布时间：2018-02-10 01:04

本文关键词： 微生物燃料电池电极修饰石墨烯产电污染物去除　出处：《江南大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)技术可将生物质能直接转变为电能,处理过程中无需能源或动力输入,因此MFC技术在环境及能源领域吸引了越来越多的关注。但是,输出功率密度较低、成本较高、底物降解率低等特点限制了其实际应用,其中电极是主要限制因素之一。论文选取具有大比表面积和优良导电性的石墨烯作为电极修饰材料,分别制备了平面阳极、立体阳极、平面阴极、阴极微滤膜等,提高了MFC的产电性能和污染物去除率。论文首先制备了石墨烯修饰碳布的平面阳极。为弥补石墨烯生物相容性不足的缺点,选取生物相容性较好的聚苯胺(Polyaniline,PANI)和石墨烯一起组成复合物修饰碳布。利用原位聚合方法制备石墨烯掺杂PANI复合物,PANI无规则附着在石墨烯纳米片表面。将复合材料修饰在碳布表面作为MFC阳极时以石墨烯含量占比为5%的复合电极(5%石墨烯)生物电化学性能最佳。产电菌充分利用了石墨烯和PANI的优点,生物量密度和最大功率密度(Maximum power dentsity,Pmax)均高于其它对照电极,Pmax为831±45 mW/m2,分别是20%石墨烯、1%石墨烯、石墨烯、PANI、裸碳布阳极的1.2、1.3、1.3、1.5、1.8倍。电化学阻抗(Electrochemical impedance spectroscopy,EIS)分析表明5%石墨烯阳极极化内阻仅为24±2Ω,是碳布电极的19.8%。石墨烯良好的导电性提高了电子传递效率,PANI修饰后电极表面生物量密度增大,单位面积电子传递效率提高,因此极化内阻较低。利用碳布、石墨烯、PANI之间存在的各类次级键作用力(π-π堆积力、氢键、静电引力),直接在碳布表面原位修饰石墨烯和PANI。和第一章相比,简化了石墨烯/PANI修饰步骤并省略了粘结剂的使用。稳定运行后石墨烯/PANI阳极最大输出电压为573±37 mV,Pmax为884±96 mW/m2,分别是碳布阳极的1.3和1.9倍。CV分析发现PANI修饰电极出现细胞色素c(Cytochrome c,Cyt c)类物质的氧化还原峰,说明PANI具有导电性;衰减全反射傅立叶红外光谱(Attenuated total reflection-fourier transform infrared spectroscopy,ATR-FTIR)结果显示PANI长期保持在中性阳极液中并未完全去质子化,去质子化水平弱于未接种电极,表明生物膜弱酸性微环境可能有助于PANI导电性的维持。在适宜的石墨烯浓度和反应温度下利用层层自组装方法制备三维多孔石墨烯电极(3D-G),该电极具有非变形性、褶皱状表面、大孔结构、大比表面积(188 m2/g)、良好的导电性和较低的制作成本,有利于微生物的富集生长和胞外电子传递,可独立作为电极使用。将其应用于单室空气阴极MFC反应器中,2周后Pmax为1516±87 mW/m2,高于对照石墨毡877±57 mW/m2和碳布584±39 mW/m2。经2个月的运行后,3D-G反应器Pmax仅下降15%,显示3D-G阳极长期运行的稳定性。从电极成本衡量功率密度,3D-G阳极分别是碳布和石墨毡电极的133和93倍。CV、塔菲尔(Tafel)和EIS等动力学分析结果显示3D-G阳极提高了胞外电子传递效率。为提高阴极性能并降低成本,制备石墨烯/活性炭复合电极作为MFC阴极。CV分析结果显示以石墨烯含量占比为10%的阴极(10%石墨烯)扫描电流最大,LSV分析结果显示10%石墨烯催化电流仅次于铂碳电极。Tafel测试显示交换电流密度为0.22±0.03mA/cm2,高于铂碳电极的0.20±0.02 mA/cm2;催化氧气还原反应时电子转移数目为3.2±0.3,高于铂碳电极的2.8±0.3。启动成功后,10%石墨烯Pmax为1406±88 mW/m2,略低于铂碳阴极的1457±92 m W/m2。铂碳虽然催化性能较好,但由于放电时间较短,COD去除率和CE均低于10%石墨烯。EIS分析显示10%石墨烯极化内阻为17±2Ω,小于铂碳电极的20±2Ω,说明10%石墨烯作为阴极其催化性能和铂碳差别不大。将经优化的石墨烯加入铸膜液,刮至于不锈钢网上,利用相转化法制备得到具有导电性的阴极微滤膜(G-FM),G-FM纯水通量为712±62 L/(m2·h·bar),平均孔径为0.09±0.01μm。将G-FM安置于单室空气阴极MFC中,在此MFC-膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)耦合系统中,G-FM膜即作为微滤膜起到过滤作用,又作为MFC阴极催化氧气还原反应。利用其处理模拟生活污水,COD去除率为96.6±3.9%,氨氮去除率为95.8±5.7%,总氮去除率达到94.7±5.2%,并同时输出349±19 mW/m2的电能。此外,石墨烯修饰提高了微滤膜的亲水性、带负电荷的阴极和细菌之间存在静电斥力、阴极附近产生过氧化氢等三方面原因减轻了微滤膜污染。以上研究表明,将具有良好性能的石墨烯应用于MFC电极修饰中,降低了MFC反应器成本、提高了MFC的产电性能和污染物去除效率,有助于推动MFC技术在实际污水处理领域中的应用。
[Abstract]:Electrochemical impedance spectroscopy ( EIS ) was used to prepare graphene - doped polyaniline composite . The results showed that the electrochemical performance of graphene was higher than that of other control electrodes , and the surface biomass density and the maximum power density were higher than those of other control electrodes . The results of CV analysis showed that there was no complete deprotonation and deprotonation at the cathode ( 3D - G ) , which was higher than that of control graphite felt 877 卤 57 mW / m2 and carbon cloth 584 卤 39 mW / m2 . The G - FM pure water flux is 712 卤 62 L / ( m2 路 h 路 bar ) , the average pore size is 0.09 卤 0.01 渭m . In this MFC - membrane bioreactor ( MBR ) coupling system , the G - FM membrane is used as a micro - filter membrane to filter and output 349 卤 19 mW / m2 .

【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM911.45

【参考文献】