天然新型三维多孔电极的制备及其在微生物燃料电池中的应用
发布时间：2021-06-12 01:59
微生物燃料电池（MFC）作为新型的水处理技术,能实现污染物高效处理的同时进行能量回收,并将其转化为电能。因此,发展MFC技术对污水处理意义重大。电极作为微生物富集和电子传递的主要场所,是决定MFC生物电催化性能和成本的重要因素之一。因此,开发廉价易得的电极是推进可持续发展的关键。近年来,丝瓜络、木棉、蚕茧等天然生物质材料被先后制备成MFC电极,并获得了较高的产电能力。然而,目前发现的天然生物质来源的电极材料在宏观构型、微观形貌、催化性能、材料来源等方面存在一定的缺陷。因此,需要开发新型、高效的天然生物质来源的电极材料,以进一步推动MFC的可持续发展。针对以上问题,本研究基于宏观构型、微观形貌、催化性能和材料来源这几个方面的标准,筛选得到了两种天然生物质材料（水绵和椴木）作为MFC电极制备原料。通过简单的制备方法将这两种材料制备成高性能的三维多孔碳基电极。我们对这两种电极材料物理化学性质、在MFC中的产电能力以及生物电催化性能进行了分析,并深入研究了这两种电极材料增强MFC产电性能机制。本文研究成果主要归纳如下:（1）利用来源广泛的生物材料水绵（Spirogyra）制备高性能MFC电极材...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1双室微生物燃料电池结构示意图
满足 MFC 长期运行的需求，以及材料成本高密度大等因素限制了它的实际应前景，因此对金属电极材料的研究并不常见。而碳材料由于其具有良好的生物容性、导电性和化学稳定性，常被用作 MFC 电极材料[59]。1.4.1 二维碳基电极材料碳基电极材料从结构上分为二维碳基材料和三维碳基材料。常见二维碳基料主要有碳纸、石墨片、碳布等[60]。碳纸作为普通碳电极材料，具有一定的度，缺点是易损坏。而石墨片具有更高的机械强度，但光滑的表面限制了菌的着，导致 MFC 输出功率较低。碳布是由数千根直径约为 6~8 m 的碳纤维编而成（图 1.2 (a)），在二维碳材料中相对比表面积大，可以为产电微生物的生提供更多的空间，质地柔软，常用作商业电极。综上，这些二维电极材料比表积有限，孔隙率低，使得底物在电极上的扩散有限，限制了 MFC 的实际应用
的基础上制备而成的电极，拥有肉眼可见的大比表面积，是最电极。当其作为阳极使用时，主要出现的问题在于碳纤维分散程电极作为 MFC 阳极时，其最大功率密度为 2.4 W/m2，这在当道，Lovley 等人[62]比较了以碳毡、石墨棒、泡沫碳为阳极电碳毡电极（0.57 mA）和泡沫碳电极（0.74 mA）在电池中所产棒电极产生的电流（0.2 mA）。结果说明，增大电极面积有电性能，并且一定的疏松大孔结构利于微生物在电极内部穿梭菌的接触面积，从而提高产电菌电子传递速率，使得 MFC 的低电极材料的面积损失。因此，三维电极相比于平面二维电极与细菌附着界面，产电性能更高[59]，但这些三维结构同时也括利于细胞穿透的孔径太少、缺乏微观或者纳米结构而导致的于尖锐的纳米材料而导致的细菌膜渗透性差或破坏。
【参考文献】：
期刊论文
[1]微生物燃料电池的研究现状及其应用前景[J]. 刘想. 镇江高专学报. 2018(01)
[2]导电材料聚吡咯的研究现状及应用[J]. 吴惠英,姜志娟,张锋. 现代丝绸科学与技术. 2017(03)
[3]生物质原料及炭化温度对生物炭产率与性质的影响[J]. 林肖庆,吕豪豪,刘玉学,汪玉瑛,杨生茂. 浙江农业学报. 2016(07)
[4]产电微生物及其生理生化特性[J]. 谢作甫,郑平,张吉强,蔡靖. 科技通报. 2013(07)
[5]处理城市污水的活性污泥法综述[J]. 许倩,王增长. 山西能源与节能. 2010(01)
[6]微生物燃料电池型传感器在BOD检测中的应用进展[J]. 佟萌,杜竹玮,李顶杰,李浩然. 环境监测管理与技术. 2008(06)
[7]微生物燃料电池表观内阻的构成和测量[J]. 梁鹏,范明志,曹效鑫,黄霞,王诚. 环境科学. 2007(08)
博士论文
[1]微生物燃料电池阳极纳米材料调控及其生物-电催化机理研究[D]. 吴小帅.西南大学 2018
[2]微生物燃料电池中产电菌与电极的作用机制及其应用[D]. 曹效鑫.清华大学 2009
硕士论文
[1]微生物燃料电池新型复合碳电极的制备及其增强产电性能的机制研究[D]. 孙得珍.江苏大学 2017
[2]生物炭的制备、表征及其对黄土吸附Cd（Ⅱ）Zn（Ⅱ）的影响及机制[D]. 王璐.兰州交通大学 2016
[3]石墨烯聚苯胺修饰电极在双室微生物燃料电池中的应用研究[D]. 周扬.长安大学 2015
[4]微生物燃料电池阳极胞外电子传递促进机制研究[D]. 岳羡君.华南理工大学 2011
[5]提高微生物燃料电池性能的电极材料研究[D]. 迟美玲.南开大学 2011
[6]微生物燃料电池电化学性能研究[D]. 刘智敏.哈尔滨工程大学 2008
本文编号：3225720
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1双室微生物燃料电池结构示意图
满足 MFC 长期运行的需求，以及材料成本高密度大等因素限制了它的实际应前景，因此对金属电极材料的研究并不常见。而碳材料由于其具有良好的生物容性、导电性和化学稳定性，常被用作 MFC 电极材料[59]。1.4.1 二维碳基电极材料碳基电极材料从结构上分为二维碳基材料和三维碳基材料。常见二维碳基料主要有碳纸、石墨片、碳布等[60]。碳纸作为普通碳电极材料，具有一定的度，缺点是易损坏。而石墨片具有更高的机械强度，但光滑的表面限制了菌的着，导致 MFC 输出功率较低。碳布是由数千根直径约为 6~8 m 的碳纤维编而成（图 1.2 (a)），在二维碳材料中相对比表面积大，可以为产电微生物的生提供更多的空间，质地柔软，常用作商业电极。综上，这些二维电极材料比表积有限，孔隙率低，使得底物在电极上的扩散有限，限制了 MFC 的实际应用
的基础上制备而成的电极，拥有肉眼可见的大比表面积，是最电极。当其作为阳极使用时，主要出现的问题在于碳纤维分散程电极作为 MFC 阳极时，其最大功率密度为 2.4 W/m2，这在当道，Lovley 等人[62]比较了以碳毡、石墨棒、泡沫碳为阳极电碳毡电极（0.57 mA）和泡沫碳电极（0.74 mA）在电池中所产棒电极产生的电流（0.2 mA）。结果说明，增大电极面积有电性能，并且一定的疏松大孔结构利于微生物在电极内部穿梭菌的接触面积，从而提高产电菌电子传递速率，使得 MFC 的低电极材料的面积损失。因此，三维电极相比于平面二维电极与细菌附着界面，产电性能更高[59]，但这些三维结构同时也括利于细胞穿透的孔径太少、缺乏微观或者纳米结构而导致的于尖锐的纳米材料而导致的细菌膜渗透性差或破坏。
【参考文献】：
期刊论文
[1]微生物燃料电池的研究现状及其应用前景[J]. 刘想. 镇江高专学报. 2018(01)
[2]导电材料聚吡咯的研究现状及应用[J]. 吴惠英,姜志娟,张锋. 现代丝绸科学与技术. 2017(03)
[3]生物质原料及炭化温度对生物炭产率与性质的影响[J]. 林肖庆,吕豪豪,刘玉学,汪玉瑛,杨生茂. 浙江农业学报. 2016(07)
[4]产电微生物及其生理生化特性[J]. 谢作甫,郑平,张吉强,蔡靖. 科技通报. 2013(07)
[5]处理城市污水的活性污泥法综述[J]. 许倩,王增长. 山西能源与节能. 2010(01)
[6]微生物燃料电池型传感器在BOD检测中的应用进展[J]. 佟萌,杜竹玮,李顶杰,李浩然. 环境监测管理与技术. 2008(06)
[7]微生物燃料电池表观内阻的构成和测量[J]. 梁鹏,范明志,曹效鑫,黄霞,王诚. 环境科学. 2007(08)
博士论文
[1]微生物燃料电池阳极纳米材料调控及其生物-电催化机理研究[D]. 吴小帅.西南大学 2018
[2]微生物燃料电池中产电菌与电极的作用机制及其应用[D]. 曹效鑫.清华大学 2009
硕士论文
[1]微生物燃料电池新型复合碳电极的制备及其增强产电性能的机制研究[D]. 孙得珍.江苏大学 2017
[2]生物炭的制备、表征及其对黄土吸附Cd（Ⅱ）Zn（Ⅱ）的影响及机制[D]. 王璐.兰州交通大学 2016
[3]石墨烯聚苯胺修饰电极在双室微生物燃料电池中的应用研究[D]. 周扬.长安大学 2015
[4]微生物燃料电池阳极胞外电子传递促进机制研究[D]. 岳羡君.华南理工大学 2011
[5]提高微生物燃料电池性能的电极材料研究[D]. 迟美玲.南开大学 2011
[6]微生物燃料电池电化学性能研究[D]. 刘智敏.哈尔滨工程大学 2008
本文编号：3225720
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