基于碳纳米管的阳极修饰及其在微生物燃料电池中的应用

发布时间：2021-10-20 00:35

　　基于生物电化学系统的微生物燃料电池（microbial fuel cells,MFCs）是一种新兴的绿色能源装置,它可以通过电活性微生物的特殊机制将碳源中的化学能转变为电能。然而,由于MFCs现阶段还存在输出功率较低、应用成本高、启动条件较苛刻等不稳定因素,限制了其大规模商业应用。其中,MFCs的阳极性能很大程度上影响其输出功率的提高,而电活性微生物与阳极表面的电子传递效率是其中最关键的因素。为了促进阳极电子转移,最可行的方法是优化阳极的表面结构与电化学性能,使其利于电活性微生物的粘附并且快速传导产出的电子。因此,寻找创新且高效的阳极改性方法是提高MFCs产电性能的重要途径。一般来说,碳基材料因其稳定性和生物亲和性被广泛用作传统MFCs阳极材料。然而,其导电性和表面积需要进一步提高。本研究采用碳纳米管（carbon nanotubes,CNTs）这种高长径比和导电率高性能碳纳米材料,利用其高效的电子接收和传导能力以及易修饰性将之对传统碳材料进行改性,基于CNTs本身的优异性能,通过不同的改性方法促进电活性微生物和阳极之间的增强接触以及快速传递电子。本文探究了不同修饰修饰方法的可行性以及... 

【文章来源】：齐鲁工业大学山东省

【文章页数】：77 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1.1双室型微生物燃料电池工作原理示意图

利用电子供体和电子受体之间的能量差，这进一步导致跨膜形成离子梯度。该梯度有助于ATP合成，因此将电势差转换为化学能。电子在生物膜中分泌可溶性电子穿梭，例如黄素类、醌类等[36]。这些微生物电子穿梭与细胞色素相互作用，进一步将电子转移到电极上。电活性微生物在分泌的核黄素与c-Cyts中的特定血红素基结合，血红素的氧化态反映了呼吸的电子输入与输出之间的平衡[37]。核黄素的释放和结合维持了细菌生物膜中的细胞内氧化还原稳态，并且将电子转移至电极[38]。如图1.2所示，概括了直接和间接的电子传递方式。图1.2电活性微生物胞外电子传递方式1.2.4微生物燃料电池的主要发展方向MFCs作为一种利用电活性微生物产电的新型清洁能源，目前来说还没有大规模应用。限制MFCs商业化以及工业化发展的主要障碍是其较低的输出功率，现阶段MFCs只在传感器或者其他发电小元件中应用[39]。因此，科研人员将研究方向聚焦在如何提高MFCs的发电性能。其一，完善并改进MFCs的内外部结构。MFCs发展至今，不断有创新的电池结构被开发。例如沉积物微生物燃料电池通常选择狭长的圆筒容器，利用沉积物的封闭性打造无氧环境，适合混合微生物的生长繁殖[40]。双室微生物燃料电池可以给纯菌提供小而密闭的生存空间，后来单室微生物燃料电池的开发，通过改造空气阴极扩大氧化还原反应效率，直接取消阴极室与昂贵的质子交换膜[41]。结构的改进可以通过缩短阴阳极距离减小内阻，或者通过更密闭的设备空间为电活性

齐鲁工业大学硕士学位论文15了官能团，可能为羟基或者羧基。图2.1(a)酸处理前碳纳米管的表面形貌;(b)酸处理后碳纳米管的表面形貌为了进一步证明CNTs是否成功酸化，将未处理的CNTs和酸处理后的CNTs分散在水溶液中静置过夜。如图2.2所示，左边样品瓶中未处理的CNTs静置后出现明显的沉淀分层现象，而右边酸处理后的CNTs始终在水溶液中保持均匀的分散。这说明CNTs经过酸化处理不仅处理掉了疏水的油脂等杂质，还明显增加了亲水性。这样处理的CNTs可以均匀分散在水相溶质中，而且可以保持较久的稳定期。为下一步的层层自组装打实了基础，保证CNTs的高分散性从而为制备高性能MFCs阳极提供了技术指导。图2.2混酸处理前后CNTs的水分散液静置现象2.3.2CP/CNT阳极的表面构造将酸处理后的CNTs高速离心后取沉淀，干燥后与原始CNTs通过XRD分析所获得材料在5-30度范围内的表观结构信息。如图2.3所示，可以发现酸化CNTs

【参考文献】：
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本文编号：3445902