基于石墨烯气凝胶的微生物燃料电池阳极生物—电催化研究

发布时间：2017-07-26 00:21

  本文关键词：基于石墨烯气凝胶的微生物燃料电池阳极生物—电催化研究

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【摘要】：微生物燃料电池可以利用生物催化剂将有机燃料或有机废水中的化学能转化为电能。作为一项绿色环保的可再生能源技术,微生物燃料电池技术引起了国内外研究人员的广泛关注,尤其是在污水处理和微生物传感器方面有较好的应用前景。然而,相对较低的能量转换效率和输出功率,限制了它的实际应用。影响微生物燃料电池产电性能的因素有很多,如底物、质子交换膜材料、电极材料等。阳极作为生物催化剂的载体,其与微生物之间的界面电子传递过程很大程度上决定了微生物燃料电池的输出性能。因此,优化阳极结构,增加细菌在阳极表面负载量,加快细菌与电极的界面电子传递速率,是提升微生物燃料电池性能的关键手段。为此,研究者们大量开发利用三维多孔阳极材料,如石墨纤维刷,和用聚吡咯、碳纳米管修饰的碳泡沫。与二维材料相比较而言,三维材料更有利于产电微生物的附着和电子的有效传递。在这些三维多孔材料中,三维石墨烯气凝胶作为一种生物相容性好、电导率高、比表面积大的优秀碳纳米材料,近年来不断应用于微生物燃料电池。制备石墨烯气凝胶常用的是水热还原法,但用该方法制得的石墨烯气凝胶表面比较疏水,产电微生物难以黏附,阳极电解液不易浸润,导致将其作为阳极材料时催化性能大大降低。因此,必须找到一种合适的改进方法,在保持石墨烯气凝胶三维结构的同时又能获得亲水性强的表面,从而提高材料催化性能,最终提高微生物燃料电池产电性能。本论文首先设计合成了具有三维多孔结构的石墨烯/聚苯胺复合物和利用生物分子一步还原得到的石墨烯气凝胶,然后对其物理性质及电化学性质进行了详细的表征与测试,最后将其应用于S.putrefaciens CN32微生物燃料电池中,以期提高电池的产电性能。主要研究内容及结论如下:(1)先采用水热还原法与冷冻干燥法制备了还原氧化石墨烯气凝胶,再采用原位化学氧化聚合法在石墨烯表面修饰一层聚苯胺纳米棒。之后通过分析相关物理表征和电化学测试数据,主要探讨了石墨烯与苯胺质量比不同时,所获得的复合物的结构、表面性质以及用作微生物燃料电池阳极材料时的电化学性质差异。相关物理表征数据表明,当石墨烯与苯胺的质量比为最优比例(1:7)时,所制备的GR/PANIⅡ材料具有三维多孔结构,其内外表面都均匀的生长了一层聚苯胺纳米棒。聚苯胺的引入增加了材料表面官能团,增强了材料的亲水性和生物相容性。相关电化学测试数据表明,将石墨烯/聚苯胺复合物作为S.putrefaciens CN32微生物燃料电池阳极,促进了界面电子传递速率,其电池最大输出功率密度是未修饰石墨烯的1.4倍。这项研究为制备基于石墨烯气凝胶/导电聚合物复合材料提供了一种简便又高效的方法。(2)采用聚苯胺修饰石墨烯气凝胶,虽然可以提高微生物燃料电池的产电性能,但是所制备的石墨烯/聚苯胺复合物的孔尺寸偏小,不利用细菌进入孔中,从而限制了电极上可负载生物催化剂的面积。为了解决这一问题,我们采用L-半胱氨酸作为还原剂,在80℃油浴的温和条件下,制备了三维多孔结构的石墨烯气凝胶,然后通过分析相关物理表征和电化学测试数据,研究了前驱体中L-半胱氨酸用量不同时,所制备的石墨烯气凝胶表面性质、结构以及用作微生物燃料电池阳极材料时的电化学性质差异。相关物理表征数据表明,适量的L-半胱氨酸加入会增大石墨烯气凝胶的孔尺寸,增大材料电活性表面积,当前驱体中L-半胱氨酸用量为最优比例,即氧化石墨烯和L-半胱氨酸质量比为1:13时,所制备的石墨烯气凝胶不仅具有较好的三维网状结构以及适合细菌进入的孔径,而且具有亲水性强和生物相容性好的表面。相关电化学测试数据表明,将其作为阳极材料应用于S.putrefaciens CN32微生物燃料电池中,既为黄素类物质的氧化还原反应提供了更多活性位点,又提高了阳极表面细菌负载量,大大增强了细菌与阳极的界面电子传递速率,最终获得679.7mWm-2功率密度,大约是水热还原法制备的石墨烯气凝胶(442.86mWm-2)的1.6倍。这项研究不仅为制备石墨烯气凝胶提供了一种简便又绿色环保的方法,而且为研发高细菌负载量的阳极提供了新思路。
【关键词】：微生物燃料电池 阳极 三维多孔石墨烯气凝胶 聚苯胺
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O648.17;TM911.45
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 引言12
• 1.2 微生物燃料电池概述12-15
• 1.2.1 微生物燃料电池的发展历史12
• 1.2.2 微生物燃料电池的工作原理12-13
• 1.2.3 微生物燃料电池的电子传递方式13-14
• 1.2.4 微生物燃料电池阳极发展的关键问题14-15
• 1.3 微生物燃料电池阳极材料研究进展15-21
• 1.3.1 传统碳材料15-16
• 1.3.2 表面修饰阳极材料16-20
• 1.3.3 三维多孔阳极材料20-21
• 1.4 论文立题依据和主要研究内容21-24
• 1.4.1 立题依据21
• 1.4.2 主要研究内容21-24
• 第2章 材料与方法24-34
• 2.1 微生物燃料电池的电极制备24
• 2.1.1 碳布的预处理24
• 2.1.2 电极的制作24
• 2.2 微生物燃料电池的组装与运行24-25
• 2.2.1 阳极溶液和阴极溶液24
• 2.2.2 产电微生物的培养24-25
• 2.2.3 微生物燃料电池的组装与运行25
• 2.3 微生物燃料电池的主要评价方法25-26
• 2.3.1 输出电压25-26
• 2.3.2 功率密度和极化曲线26
• 2.3.3 电池内阻26
• 2.4 微生物燃料电池阳极的电化学表征26-27
• 2.4.1 循环伏安曲线27
• 2.4.2 电化学阻抗谱27
• 2.5 实验试剂与仪器27-29
• 2.5.1 实验试剂27-29
• 2.5.2 实验仪器29
• 2.6 合成方法及所用的仪器29-30
• 2.6.1 水热法29-30
• 2.6.2 化学氧化聚合法30
• 2.7 材料表征方法及所用的仪器30-34
• 2.7.1 扫描电子显微镜30
• 2.7.2 场发射扫描电子显微镜30
• 2.7.3 X射线衍射分析仪30-31
• 2.7.4 X射线光电子能能谱仪31
• 2.7.5 氮气吸附-脱附仪测试31
• 2.7.6 傅里叶变换红外光谱仪31
• 2.7.7 接触角测试仪31-32
• 2.7.8 电化学工作站32-34
• 第3章 聚苯胺修饰的石墨烯气凝胶在微生物燃料电池中的生物-电催化研究34-46
• 3.1 引言34-35
• 3.2 实验方法35-36
• 3.2.1 氧化石墨烯的制备35
• 3.2.2 水热还原法制备石墨烯气凝胶35
• 3.2.3 石墨烯/聚苯胺复合物的制备35-36
• 3.3 结果与讨论36-45
• 3.3.1 石墨烯/聚苯胺复合物的形貌36-37
• 3.3.2 石墨烯/聚苯胺复合物的组成37-38
• 3.3.3 石墨烯/聚苯胺复合物的孔结构以及比表面积38
• 3.3.4 石墨烯/聚苯胺复合物的表面性质38-40
• 3.3.5 石墨烯/聚苯胺复合物的表面元素40-41
• 3.3.6 石墨烯/聚苯胺复合物的电化学性质41-43
• 3.3.7 电池测试与电极表面细菌形貌观察43-45
• 3.4 小结45-46
• 第4章 L-半胱氨酸一步还原法制备亲水多孔石墨烯气凝胶阳极的研究46-60
• 4.1 引言46
• 4.2 实验方法46-47
• 4.2.1 L-半胱氨酸一步还原制备石墨烯气凝胶46-47
• 4.2.2 水热还原制备石墨烯气凝胶47
• 4.3 结果与讨论47-58
• 4.3.1 石墨烯气凝胶的形貌47-48
• 4.3.2 石墨烯气凝胶的组成48-49
• 4.3.3 石墨烯气凝胶的孔结构以及比表面积49-50
• 4.3.4 石墨烯气凝胶的表面性质50-52
• 4.3.5 石墨烯气凝胶的电活性表面积52-53
• 4.3.6 石墨烯气凝胶的电化学性质53-56
• 4.3.7 电池测试与电极表面细菌形貌观察56-58
• 4.4 小结58-60
• 第5章 结论与展望60-62
• 5.1 结论60-61
• 5.2 展望61-62
• 参考文献62-74
• 致谢74-76
• 硕士期间科研情况76

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