碳载尖晶石氧化物的制备、表征及其在微生物燃料电池中的应用

发布时间：2017-07-27 06:15

  本文关键词：碳载尖晶石氧化物的制备、表征及其在微生物燃料电池中的应用

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【摘要】：微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)作为一种新型的能源技术,可以利用微生物分解特定废弃物,实现废物处理并产生电能,具有操作条件温和以及环境友好等特点,为解决能源和环境问题提供了新方向,近年来成为研究热点。MFC自身的优点使其在未来应用上具有广阔的发展前景,然而,这种新型的能源技术还无法进行大规模商业化应用。较低的输出功率是影响MFC商业化的主要原因。阴极氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)的效率是制约输出功率高低的主要因素之一,ORR的高过电势和弱动力学不利于阴极反应的进行,降低了反应的效率。因此,选择适合的催化剂对提高ORR性能具有重要的意义。本文以纳米碳载尖晶石氧化物为研究对象,探索了其作为复合催化剂的制备、表征、ORR电化学催化活性以及应用于MFC阴极的产电性能。首先,采用氨蒸汽诱导法制备了小粒径、大比表面积且均匀分散的尖晶石金属氧化物(记为m-MnCo2O4)。扫描电镜、X射线衍射和比表面分析都表明,较其他方法制得的锰钴尖晶石(记为b-MnCo2O4),m-MnCo2O4的粒径更小(60 nm),比表面积更大(133 m2/g)。将两种催化剂分别按一定比例和导电碳黑混合,并进行电化学测试,结果表明,m-MnCo2O4的氧还原峰电位比b-MnCo2O4更正,电流密度和起始电位稍弱于Pt/C。进一步的测试计算表明,m-MnCo2O4的氧还原反应电子转移数为3.77,即m-MnCo2O4用于阴极催化使得ORR催化主要以4e-途径进行,提高了ORR催化效率。其次,采用水热法合成了氮掺杂碳纳米管负载锰钴尖晶石(MnCo2O4/N-CNT),考察了MnCo2O4/N-CNT的形貌特征和MnCo2O4+N-CNT、Co3O4/N-CNT、MnCo2O4、N-CNT以及MnCo2O4/N-CNT的电催化活性。透射电镜分析表明,尖晶石纳米颗粒均匀地分散在碳纳米管表面,通过水热法可增强尖晶石和载体碳纳米管之间的化学耦合作用。电化学测试结果表明,MnCo2O4/N-CNT的/N-CNT稳定性和抗毒性优于Pt/C。再次,采用水热-共沉淀法制备了MnCo2O4/N,S-CNT复合催化剂,确定了不同碳纳米管载体比例下催化剂的循环伏安性能,考察了CNT、N,S-CNT、MnCo2O4/CNT和MnCo2O4/N,S-CNT的电催化性能。结果表明,40 wt%CNT条件下的催化剂循环伏安性能最好,而且,此条件下的MnCo2O4/N,S-CNT的ORR催化活性高于MnCo204/CNTo最后,将MnCo2O4/N-CNI、MnCo2O4/N,S-CNT和Pt/C分别作为阴极催化剂用于MFC产电性能研究。结果表明,MnCo2O4/N-CNT和MnCo2O4/N,S-CNT的开路电压和最大功率密度分别为0.714 V,673 mW/m2和0.705 V,767 mW/m2,远高于未修饰阴极的MFC(0.489 V,186 mW/m2),但低于Pt/C(0.747V,864mW/m2)。本文通过不同方法制备了不同纳米碳载尖晶石金属氧化物,探索了影响催化剂ORR活性的主要因素,发现了尖晶石制备方法、碳纳米管和尖晶石之间的作用、碳纳米管作为载体的用量、金属掺杂尖晶石以及非金属掺杂碳纳米管对锰钴尖晶石ORR活性有重要的影响,同时还对该类催化剂用于MFC阴极产电性能进行了研究。
【关键词】：微生物燃料电池 锰钴尖晶石 碳纳米管 氧还原反应 电催化
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.45
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 课题的研究背景12
• 1.2 MFC概述12-14
• 1.2.1 MFC的结构和工作原理12-13
• 1.2.2 MFC的特点和应用13-14
• 1.2.3 MFC发展历程14
• 1.3 MFC阴极材料的研究进展14-19
• 1.3.1 贵金属14-15
• 1.3.2 碳材料15-16
• 1.3.3 过渡金属氧化物16-19
• 1.3.4 其它催化剂19
• 1.4 本论文的选题依据与研究内容19-22
• 1.4.1 论文的选题依据19-20
• 1.4.2 论文的研究思路20
• 1.4.3 论文的研究内容20-22
• 2 m-MnCo_2O_4纳米颗粒的制备及其氧还原性能研究22-31
• 2.1 实验22-25
• 2.1.1 催化剂制备22-23
• 2.1.2 催化剂表征23-24
• 2.1.3 电化学测试24
• 2.1.4 催化剂氧还原性能测试评价24-25
• 2.2 结果与讨论25-29
• 2.2.1 催化剂制备过程反应机理25
• 2.2.2 催化剂形貌分析25-26
• 2.2.3 催化剂晶相分析26-27
• 2.2.4 催化剂元素分析27
• 2.2.5 ORR电化学测试27-29
• 2.3 本章小结29-31
• 3 MnCO_2O_4/N-CNT的制备及其氧还原性能研究31-41
• 3.1 实验31-33
• 3.1.1 催化剂制备31-33
• 3.1.2 催化剂表征33
• 3.1.3 电化学测试33
• 3.1.4 催化剂氧还原性能测试评价33
• 3.2 结果与讨论33-39
• 3.2.1 催化剂制备过程反应机理33-34
• 3.2.2 催化剂晶相分析34
• 3.2.3 催化剂形貌分析34-36
• 3.2.4 催化剂元素分析36-37
• 3.2.5 ORR电化学测试37-38
• 3.2.6 催化剂稳定性和抗毒性研究38-39
• 3.3 本章小结39-41
• 4 MnCO_2O_4/N,S-CNT的制备及其氧还原性能研究41-49
• 4.1 实验41-43
• 4.1.1 催化剂制备41-42
• 4.1.2 催化剂表征42
• 4.1.3 电化学测试42-43
• 4.1.4 催化剂氧还原性能测试评价43
• 4.2 结果与讨论43-47
• 4.2.1 催化剂形貌分析43-44
• 4.2.2 催化剂制备过程反应机理44
• 4.2.3 催化剂元素分析44-45
• 4.2.4 ORR电化学测试45-47
• 4.3 本章小结47-49
• 5 碳载尖晶石氧化物作为阴极催化剂用于MFC产电49-56
• 5.1 MFC性能评价的主要指标49
• 5.2 电池运行数据采集和计算49-50
• 5.3 极化曲线的测定50
• 5.4 催化剂应用于MFC的测试50-53
• 5.4.1 菌种50
• 5.4.2 实验仪器50-51
• 5.4.3 阳极培养液的接种和阴极缓冲溶液的配置51
• 5.4.4 MFC阴极修饰51-52
• 5.4.5 质子交换膜(PEM)的预处理52
• 5.4.6 MFC反应器的构建52
• 5.4.7 MFC的运行52-53
• 5.5 MFC测试结果分析53-54
• 5.5.1 MnCo_2O_4/N-CNT修饰阴极的MFC测试结果分析53-54
• 5.5.2 MnCo_2O_4/N,S-CNT修饰阴极的MFC测试结果分析54
• 5.6 本章小结54-56
• 结论与展望56-58
• 结论56-57
• 创新点57
• 展望与建议57-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-68
• 附录68

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