基于剩余污泥的多功能碳基电极材料制备与应用

发布时间：2020-05-24 20:51

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)能够在处理污水的同时,将有机物中蕴藏的化学能转化为电能,是一种新型的低能耗的水处理技术,成为近年来环境领域和能源回收领域的研究热点。目前电极材料成本过高和产电性能偏低是制约MFC实际应用的主要因素。阳极是影响细菌生长、电子传递以及底物供应的关键因素,因此,亟需开发一种高性能、低成本的阳极材料。空气阴极是MFC主要采用的阴极形式,但氧气还原(ORR)催化剂的性能和价格成为空气阴极应用的限制因素之一。本文以剩余污泥为碳材料前驱体材料,采用简单易行的方法制备了低成本、高性能的污泥基电极和污泥基复合空气阴极,在降低电极成本的同时使MFC的功率输出达到较高水平,为推动MFC在废水处理领域的应用奠定基础。(1)以剩余污泥作为电极材料唯一前驱体材料,采用在氮气保护下直接碳化的方法制备了污泥基电极,考察了碳化温度对电极产电性能的影响。实验结果表明,碳化温度增加有利于提升电极的产电性能,当碳化温度在1200℃时,污泥基电极的石墨化程度最高,电极表面积最大,电极中碳含量比例和电极导电率最高。以1200℃碳化的污泥基阳极电极(SSC1200)运行的MFC最大输出功率为2920mWm-2,分别是SSC600电极、SSC800电极和SSC1000电极的输出功率密度的2.5倍、1.3倍和1.2倍,是商业化石墨电极的输出功率密度的5倍。因此,最优的污泥基电极碳化温度为1200℃。(2)基于上述最优污泥基碳化条件下,将工业废弃物飞灰为粘合剂按照20%,40%,60%和80%的比例掺入污泥基电极中强化电极性能,研究了其在MFC的性能,并对制备的电极做了系列材料学表征。扫描电镜结果显示,与未掺入飞灰的污泥电极相比,掺有飞灰的污泥电极表面有洋葱碳生成,有利于电子传递,从而提升电极产电性能。污泥电极中掺入飞灰能显著提高电极的亲水性,有利于产电微生物的附着生长。此外,污泥电极中掺入飞灰后机械强度提高了约19倍。电极产电性能测试结果显示,以飞灰掺入比为20%的污泥碳基电极构建的MFC,获得的最大的输出功率密度达3210mWm-2,相比于纯污泥碳基电极提高了 21%。在污泥电极中掺入飞灰,有助于提高污泥电极的产电性能,作为MFC阳极电极具有巨大的应用潜力。(3)以剩余污泥为碳前驱体,通过水热共掺杂Mn、N法成功制备了一种新型的污泥碳基空气阴极,构建MFC,研究其产电性能。EDS和XPS表征结果显示,Mn和N原子成功的均匀掺杂入碳骨架中。线性伏安扫描结果表明Mn、N共掺杂的协同效应更进一步提高了空气阴极的ORR催化性能。Mn-N/SC空气阴极具有优异的ORR催化性能,输出功率密度达1120mWm2,与同体系下的Pt/C催化剂构建的空气阴极的产电性能(1240 mW m-2)相当,有望成为扩大化应用的空气阴极。
【图文】：

示意图,运行原理,示意图,阴极室

１．２微生物燃料电池逡逑１．２．１基本原理及分类逡逑ＭＦＣ主要由阳极、阴极和分隔材料三部分构成［２４］，如图１．１所示。产电微逡逑生物附着在阳极电极表面，阴极电极表面负载催化剂粉末或者附着微生物。在外逡逑部，阴极电极和阳极电极通过外接导线连接至外部负载。在ＭＦＣ内部，通过分逡逑隔材料将ＭＦＣ装置分为阳极室和阴极室。在阳极室中，负载在阳极电极上的产逡逑电微生物氧化有机物，释放出电子和质子。电子通过外接电路传导至阴极，质子逡逑．在电场作用下穿过分隔材料进入阴极室。在阴极室中，通过催化剂的催化作用下，逡逑电子受体接受传导至阴极的电子，与溶液中的质子相结合。分隔材料一般为质子逡逑膜和离子膜，可以将阳极室中的有机物和阴极室中的电子受体分隔，提高ＭＦＣ逡逑电子转换效率。逡逑２

碳布,碳电极,碳纤维,碳刷

⑴碳基电极逡逑目前研宄报道最多的阳极材料主要为碳材料，包括碳纸、玻璃碳、石墨毡、逡逑石墨板、碳布、碳刷等［３５，３８，３９，４（）］，，如图１－２。从商业化的角度而言，由于成本低、逡逑导电性高、有效面积大，微生物易于附着等优势，碳布和碳刷被认为是最具有应逡逑５逡逑
【学位授予单位】：浙江工商大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.45;X703

【参考文献】