光催化海底微生物燃料电池的构建及其产能研究

发布时间：2018-03-31 12:58

本文选题：海底微生物燃料电池　切入点：光催化　出处：《哈尔滨工业大学》2017年硕士论文

【摘要】：在工业化进程中,随着排放的迅速增加,环境污染日益恶化。开发对环境影响小的新能源对延续经济增长和保持人类绿色生活至关重要。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)作为一种融合污水处理和生物产电两种效能的新技术,为能源领域实现这个目标提供了可能,展现了新能源开发与利用的广阔前景。海底微生物燃料电池(Benthic Microbial Fuel Cell,BMFC)作为特殊的一种MFC,寿命能够等同甚至超过传感器的寿命,可望成为新型的、能够长期稳定发电的,且无需定期维护的电源系统。目前限制其实用化的主要因素是低的功率密度。本研究拟利用半导体光催化还原与微生物燃料电池的协同作用优势,首次构建光催化海底微生物燃料电池(Photocatalytic Benthic Microbial Fuel Cell,photo-BMFC),利用半导体光电阴极提高阴极电子转化效率,从而提高海底微生物燃料电池的整体输出电压和功率密度。主要研究内容和结果如下:(1)根据半导体Cu_2O对可见光有良好响应的特点,在铜基底上制作Cu_2O光催化剂,FE-SEM、XRD结果表明通过热氧化法在铜基底上成功得到Cu_2O光催化剂,制备出铜基底Cu_2O电极,简称Cu_2O/Cu电极。为了抑制Cu_2O在Cu_2O/电解液界面发生自还原,在Cu_2O表面形成薄的保护性碳层,生成碳层覆盖的铜基底Cu_2O电极,简称C/Cu_2O/Cu电极。利用LSV与I-T电化学方法测试电极的光电性能,测试结果表明,合成的C/Cu_2O/Cu光电性能高于空白Cu_2O/Cu,而且化学稳定性提高。(2)Cu_2O作为BMFC阴极光催化剂的考察:构建以C/Cu_2O/Cu为阴极的光催化BMFC,测试紫外光和无光条件下光催化BMFC的产能变化。通过测定光生电流及光生电压曲线得出紫外光与黑暗交替下产生的光电流密度差为0.03m A/cm2,光生电压差为0.05 V;极化曲线表明,紫外光下光催化BMFC(C/Cu_2O/Cu)内阻为190Ω,功率密度最大值为0.01 m W/cm2;无光照下内阻为436Ω,功率密度为0.0074 m W/cm2。研究结果说明紫外光下光催化海底微生物燃料电池输出功率变大,内阻减小,Cu_2O作为光催化剂对电池性能影响显著。(3)根据已得的考察结果,确定阴极光催化剂为Cu_2O,将不稳定的铜基底换成碳毡基底,首次将Cu_2O电沉积法与碳毡基底结合,制作碳毡基底Cu_2O光电阴极的制作与表征:FE-SEM、EDX、XRD结果说明通过电沉积法成功制备碳毡基底Cu_2O光电阴极,对制备出的Cu_2O/carbon felt光电阴极表面同样进行碳层保护,制备碳层覆盖的碳毡基底Cu_2O电极,简称C/Cu_2O/carbon felt电极。LSV与I-T结果显示,Cu_2O/carbon felt电极和碳层覆盖后的C/Cu_2O/carbon felt电极光电性能较好,可为构建光催化BMFC提供适宜的光电阴极。(4)光催化BMFC的构建及其产能研究:构建以Cu_2O/carbon felt、C/Cu_2O/carbon felt为光电阴极的光催化BMFC和以碳毡为阴极的普通BMFC,简称common BMFC,比较它们的产电性能,研究光电阴极对BMFC产电性能的影响。研究结果表明:光催化BMFC相对普通BMFC(carbon felt)内阻减小,输出功率大,产电性能显著。白光下光催化BMFC(C/Cu_2O/carbon felt)功率密度最大值为0.0249 mW/cm2,相比光催化BMFC(Cu_2O/carbon felt)的0.0127m W/cm2,增加96%,相比普通BMFC(carbon felt)的0.00152 m W/cm2,提高了15倍。光生电流和光生电压结果表明光催化BMFC(Cu_2O/carbon felt)产生的光电流密度为0.10 m A/cm2,在黑暗和白光交替运行下,光电流密度差为0.02m A/cm2,光电压差大约为0.025 V,普通BMFC(carbon felt)产生的电流密度为0.04 m A/cm2,电压基本恒定,说明Cu_2O光催化剂利用光能耦合BMFC提高了其产电能力;结合极化曲线和EIS图,光催化BMFC(Cu_2O/carbon felt)和光催化BMFC(C/Cu_2O/carbon felt)相比普通BMFC(carbon felt)产生的内阻较小,电池性能得到优化。
[Abstract]:In the process of industrialization , with the rapid increase of emission and the deterioration of environment pollution , it is vital to develop new energy sources with low environmental impact on the sustainable economic growth and to maintain human green life . The main research contents and results are as follows : ( 1 ) The copper substrate Cu _ 2O photocatalyst is prepared by thermal oxidation method . The results show that the photoelectrochemical properties of the electrode are improved by using the method of the electrochemical method of LSV and I - T . The results show that the synthesized C / Cu _ 2O / Cu photoelectrochemical properties are higher than that of the blank Cu _ 2O / Cu . The results show that the photocatalytic BMFC ( C / Cu _ 2O / Cu ) has an internal resistance of 190 惟 and a power density of 0 . 05 V . The results show that the photocatalytic BMFC ( C / Cu _ 2O / Cu ) has an internal resistance of 190 惟 and a power density of 0 . 05 V . The results show that photocatalytic BMFC ( Cu _ 2O / carbon felt ) has a high power density of 0.0249 mW / cm ~ 2 , and the current density of photocatalytic BMFC ( C / Cu _ 2O / carbon felt ) is 0 . 02m A / cm ~ 2 .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM911.45

【参考文献】