g-C 3 N 4 /Cu 2 O/CF电极海底微生物燃料电池的产能研究
发布时间：2021-03-18 16:05
近年来,随着能源危机日趋严重,寻找新能源已经成为了目前研究的主要方向。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,MFC）作为一种可降解废水中有机物的能源可持续发展技术,引起了新型能源研究者的关注。海底微生物燃料电池（Benthic Microbial Fuel Cell,BMFC）与传统微生物燃料电池相比,具有结构简单,免于维护,燃料供给充足,电池内阻低等优点,可为水下小型机器人、水下传感器提供持续、稳定的电源供给,为人类的深海勘测提供助益。而BMFC功率密度过低限制了其在各个领域的应用。本研究以Cu2O半导体光催化剂为阴极,构建光催化海底微生物燃料电池,利用半导体的光催化过程减小阴极表面氧和质子反应的限制,降低BMFC的内阻,从而提高其产电能力。主要研究内容和结果如下:（1）Cu2O的光生电子空穴易发生复合,g-C3N4与Cu2O复合产生较大能级差及内建电场,有效抑制光生电子-空穴复合,通过电沉积的方法在Cu2O/CF电极表面负载g-C
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MFC工作原理图
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文5的沼气流速、检验发酵液环境中的pH值，从而达到在厌氧硝化作用的动态变化过程中进行相关的监控目的。其他应用还有乳酸传感器等[23]，由于MFC的产电能力与乳酸的浓度有一定关系，因此可作为底物传感器使用。1.3海底微生物燃料电池1.3.1海底微生物燃料电池原理海底微生物燃料电池（Benthonicmicrobialfuelcell，简称BMFC）是微生物燃料电池中的一种，其中阳极放入反应器底部的沉积污泥与水的混合物中，阴极漂浮于反应器上部的溶液上，微生物通过氧化沉积物中的有机物产生电子[24]，通过导线将其传递到阴极，与阴极区中的溶解氧和从阳极区传递来的质子结合生成水，从而实现有机污染物的去除[25]。图1-2沉积型微生物燃料电池原理图阴阳极是BMFC的动力中心，其产能输出来自发生在阴阳极上的氧化还原反应。沉积型海底微生物燃料电池获得的理论电压值为阴极与阳极反应的电势差，由能斯特方程(式1-1)表示：badc0cellbadclnnF-RTEE（1-1）其中，0E为电池标准电动势（V）；R为理想气体常数（8.314Jmol-1·K-1）；T为反应温度（K）；F为法拉第常数（96485C·mol-1）；n为化学反应的电子转移数；a和b为化学反应中反应物的化学计量数，c和d为生成物的化学计量数。BMFC中能量的获取和释放主要是通过阳极沉积物中的产电微生物实现。
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文8景。1.4半导体光催化材料1.4.1半导体光催化原理如图1-3所示，与绝缘体不同，半导体的价带和导带之间存在禁带[30]。当入射光子的能量大于半导体禁带宽度时，半导体材料的价带电子吸收一定能量被激发激发跃迁至导带，同时在价带上产生相应的窄穴，形成电子空穴对，光生空穴具有氧化性，激发到导带上的光生电子具有还原性，形成氧化还原体系。光催化体系中如果缺少适当的俘获剂，光生电子和空穴会在几毫秒中复合并产生热量。然而，半导体中电子空穴在内建电场的作用下分离，与其表面物质发生氧化还原反应，有效避免光生电子-空穴的复合，提高半导体的光量子效率。图1-3半导体光催化原理1.4.2半导体光催化的应用（1）光催化降解有机物降解有机物是目前光催化的主要应用领域之一。半导体光催化过程产生的光生电子空穴能作为氧化还原剂降解有机物，光生空穴能氧化吸附在催化剂表面的H2O产生具有强氧化性的·OH自由基，或与有机物直接反应产生其他中间自由基物质。而在液相体系中发生的光催化反应，溶液中的溶解氧常作为电子俘获剂与光生电子反应生成超氧自由基O2-，而具有强氧化性的超氧自由基O2-则能进一步的降解有机物[31]。与其他降解有机物的方法相比，半导体光催化降解有机物除了操作简单
【参考文献】：
期刊论文
[1]海底沉积物型微生物燃料电池研究进展[J]. 邱峥辉,郑纪勇,蔺存国,许凤玲. 材料开发与应用. 2018(06)
[2]Cu2O-g-C3N4异质结催化剂光催化降解甲基橙[J]. 廖伟,徐海明,左诗语,肖洋,李东亚,夏东升. 化工环保. 2018(05)
[3]高比表面积g-C3N4的制备及其在光催化制氢中的应用研究进展[J]. 张杰,李会鹏,赵华,蔡天凤. 现代化工. 2018(11)
[4]光催化材料对微生物燃料电池的影响[J]. 李维国,张丹丹,贾玉红,尤宏. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版). 2017(06)
[5]微生物燃料电池技术发展及其应用前景探讨[J]. 李婉君. 绿色环保建材. 2017(08)
[6]微生物燃料电池阴极碳载体催化剂的研究进展[J]. 康冰艳,侯彬,卢新陈. 现代化工. 2017(08)
[7]ZnO/Cu2O异质结纳米阵列制备及光催化性能[J]. 何祖明,夏咏梅,唐斌,江兴方,黄正逸. 发光学报. 2017(07)
[8]复合半导体MoS2/Cu2O的制备及其光催化性能研究[J]. 侯静静,赵清华,李刚,李朋伟,胡杰. 分子催化. 2017(03)
[9]微生物燃料电池阴极材料研究进展[J]. 范梦婕,陈柳柳,徐源,陈英文,沈树宝,祝社民. 化工新型材料. 2017(06)
[10]利用Ni（OH）x助催化剂修饰提高g-C3N4纳米片/WO3纳米棒Z型纳米体系的可见光产氢活性的研究（英文）[J]. 何科林,谢君,罗杏宜,温九青,马松,李鑫,方岳平,张向超. 催化学报. 2017(02)
博士论文
[1]微生物燃料电池处理含氮废水的研究[D]. 周昱宏.浙江大学 2018
[2]TiO2/ZnO微纳米材料及核壳结构的制备与光催化性能研究[D]. 王丹丹.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[3]Cu2O半导体薄膜材料的制备及其在光催化和光电催化还原CO2中应用的研究[D]. 巴鑫.华中师范大学 2018
[4]生物阴极微生物燃料电池特性及其与光催化耦合模式的研究[D]. 杜月.哈尔滨工业大学 2015
[5]双极可见光响应型光催化废水燃料电池的研究[D]. 陈全鹏.上海交通大学 2014
硕士论文
[1]Bi2WO6纳米片及其自组装纳米结构的水热合成和光催化性能研究[D]. 皇甫统帅.浙江大学 2019
[2]三氧化钨光阳极制备优化及光电化学性质研究[D]. 王杰.南京邮电大学 2018
[3]原位制备g-C3N4/碳复合材料及其光催化产氢和电容性能的研究[D]. 王柯.郑州大学 2018
[4]Cu2O-TiO2复合催化剂的制备及光催化制氢的研究[D]. 胡亚平.南昌大学 2016
[5]石墨烯基改性阳极在海底微生物燃料电池中的电化学性能研究[D]. 邹晓娜.中国海洋大学 2015
[6]微生物燃料电池降低底泥中硫离子浓度的试验研究[D]. 张海芹.华东理工大学 2014
[7]低电位阳极海底微生物燃料电池构建及温度对电池性能影响[D]. 卢志凯.中国海洋大学 2013
[8]碳材料在海底沉积物燃料电池中的应用研究[D]. 张业龙.中国海洋大学 2013
[9]沉积型微生物燃料电池的构建及产电特性研究[D]. 陈辉.江南大学 2009
[10]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：3088583
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MFC工作原理图
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文5的沼气流速、检验发酵液环境中的pH值，从而达到在厌氧硝化作用的动态变化过程中进行相关的监控目的。其他应用还有乳酸传感器等[23]，由于MFC的产电能力与乳酸的浓度有一定关系，因此可作为底物传感器使用。1.3海底微生物燃料电池1.3.1海底微生物燃料电池原理海底微生物燃料电池（Benthonicmicrobialfuelcell，简称BMFC）是微生物燃料电池中的一种，其中阳极放入反应器底部的沉积污泥与水的混合物中，阴极漂浮于反应器上部的溶液上，微生物通过氧化沉积物中的有机物产生电子[24]，通过导线将其传递到阴极，与阴极区中的溶解氧和从阳极区传递来的质子结合生成水，从而实现有机污染物的去除[25]。图1-2沉积型微生物燃料电池原理图阴阳极是BMFC的动力中心，其产能输出来自发生在阴阳极上的氧化还原反应。沉积型海底微生物燃料电池获得的理论电压值为阴极与阳极反应的电势差，由能斯特方程(式1-1)表示：badc0cellbadclnnF-RTEE（1-1）其中，0E为电池标准电动势（V）；R为理想气体常数（8.314Jmol-1·K-1）；T为反应温度（K）；F为法拉第常数（96485C·mol-1）；n为化学反应的电子转移数；a和b为化学反应中反应物的化学计量数，c和d为生成物的化学计量数。BMFC中能量的获取和释放主要是通过阳极沉积物中的产电微生物实现。
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文8景。1.4半导体光催化材料1.4.1半导体光催化原理如图1-3所示，与绝缘体不同，半导体的价带和导带之间存在禁带[30]。当入射光子的能量大于半导体禁带宽度时，半导体材料的价带电子吸收一定能量被激发激发跃迁至导带，同时在价带上产生相应的窄穴，形成电子空穴对，光生空穴具有氧化性，激发到导带上的光生电子具有还原性，形成氧化还原体系。光催化体系中如果缺少适当的俘获剂，光生电子和空穴会在几毫秒中复合并产生热量。然而，半导体中电子空穴在内建电场的作用下分离，与其表面物质发生氧化还原反应，有效避免光生电子-空穴的复合，提高半导体的光量子效率。图1-3半导体光催化原理1.4.2半导体光催化的应用（1）光催化降解有机物降解有机物是目前光催化的主要应用领域之一。半导体光催化过程产生的光生电子空穴能作为氧化还原剂降解有机物，光生空穴能氧化吸附在催化剂表面的H2O产生具有强氧化性的·OH自由基，或与有机物直接反应产生其他中间自由基物质。而在液相体系中发生的光催化反应，溶液中的溶解氧常作为电子俘获剂与光生电子反应生成超氧自由基O2-，而具有强氧化性的超氧自由基O2-则能进一步的降解有机物[31]。与其他降解有机物的方法相比，半导体光催化降解有机物除了操作简单
【参考文献】：
期刊论文
[1]海底沉积物型微生物燃料电池研究进展[J]. 邱峥辉,郑纪勇,蔺存国,许凤玲. 材料开发与应用. 2018(06)
[2]Cu2O-g-C3N4异质结催化剂光催化降解甲基橙[J]. 廖伟,徐海明,左诗语,肖洋,李东亚,夏东升. 化工环保. 2018(05)
[3]高比表面积g-C3N4的制备及其在光催化制氢中的应用研究进展[J]. 张杰,李会鹏,赵华,蔡天凤. 现代化工. 2018(11)
[4]光催化材料对微生物燃料电池的影响[J]. 李维国,张丹丹,贾玉红,尤宏. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版). 2017(06)
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[6]微生物燃料电池阴极碳载体催化剂的研究进展[J]. 康冰艳,侯彬,卢新陈. 现代化工. 2017(08)
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[8]复合半导体MoS2/Cu2O的制备及其光催化性能研究[J]. 侯静静,赵清华,李刚,李朋伟,胡杰. 分子催化. 2017(03)
[9]微生物燃料电池阴极材料研究进展[J]. 范梦婕,陈柳柳,徐源,陈英文,沈树宝,祝社民. 化工新型材料. 2017(06)
[10]利用Ni（OH）x助催化剂修饰提高g-C3N4纳米片/WO3纳米棒Z型纳米体系的可见光产氢活性的研究（英文）[J]. 何科林,谢君,罗杏宜,温九青,马松,李鑫,方岳平,张向超. 催化学报. 2017(02)
博士论文
[1]微生物燃料电池处理含氮废水的研究[D]. 周昱宏.浙江大学 2018
[2]TiO2/ZnO微纳米材料及核壳结构的制备与光催化性能研究[D]. 王丹丹.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[3]Cu2O半导体薄膜材料的制备及其在光催化和光电催化还原CO2中应用的研究[D]. 巴鑫.华中师范大学 2018
[4]生物阴极微生物燃料电池特性及其与光催化耦合模式的研究[D]. 杜月.哈尔滨工业大学 2015
[5]双极可见光响应型光催化废水燃料电池的研究[D]. 陈全鹏.上海交通大学 2014
硕士论文
[1]Bi2WO6纳米片及其自组装纳米结构的水热合成和光催化性能研究[D]. 皇甫统帅.浙江大学 2019
[2]三氧化钨光阳极制备优化及光电化学性质研究[D]. 王杰.南京邮电大学 2018
[3]原位制备g-C3N4/碳复合材料及其光催化产氢和电容性能的研究[D]. 王柯.郑州大学 2018
[4]Cu2O-TiO2复合催化剂的制备及光催化制氢的研究[D]. 胡亚平.南昌大学 2016
[5]石墨烯基改性阳极在海底微生物燃料电池中的电化学性能研究[D]. 邹晓娜.中国海洋大学 2015
[6]微生物燃料电池降低底泥中硫离子浓度的试验研究[D]. 张海芹.华东理工大学 2014
[7]低电位阳极海底微生物燃料电池构建及温度对电池性能影响[D]. 卢志凯.中国海洋大学 2013
[8]碳材料在海底沉积物燃料电池中的应用研究[D]. 张业龙.中国海洋大学 2013
[9]沉积型微生物燃料电池的构建及产电特性研究[D]. 陈辉.江南大学 2009
[10]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：3088583
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