基于PPy纳米线的微型MFC阳极特性研究

发布时间：2017-07-05 21:07

  本文关键词：基于PPy纳米线的微型MFC阳极特性研究

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【摘要】：微生物燃料电池(MFC)是以微生物为催化剂,将有机物中的化学能转化为电能的新型生物能源装置。它原料来源广泛、反应条件温和,且对环境没有污染的特点而具有非常广阔的应用前景。而阳极是微生物附着、有机物氧化以及电子传递的基础,是决定MFC产电的关键因素之一。因此研究和探索阳极材料的特性,分析相关的导电机制就具有了重要的学术意义和工程价值。本课题首先对聚吡咯纳米线和聚吡咯纳米线/石墨烯复合材料性能进行了研究。通过不同的材料表征及分析方式,研究了聚吡咯纳米线和聚吡咯纳米线/石墨烯复合材料的表面形貌、内部结构及电化学特性。结果表明聚吡咯纳米线直径约为140nm,长5μm,而聚吡咯纳米线/石墨烯复合材料中,石墨烯成片状附着在聚吡咯纳米线表面。聚吡咯纳米线/石墨烯复合材料比聚吡咯纳米线具有更好的电化学性能,更有利于电子的传输。其中,聚吡咯纳米线/石墨烯复合材料电子传递速率约为0.104s-1,电荷转移电阻为4.23 Q cm-2,电极电阻为0.35 Ω cm-2,高于相应的聚吡咯纳米线电子传递速率,低于其电荷转移电阻及电极电阻。本课题还对以聚吡咯纳米线和聚吡咯纳米线/石墨烯复合材料分别为阳极的单室微型微生物燃料电池(mini-MFC)的性能进行了研究。研究发现以聚吡咯纳米线/石墨烯复合材料为阳极的mini-MFC的性能要优于以聚吡咯纳米线为阳极的nini-MFC的性能。其中以聚吡咯纳米线/石墨烯复合材料为阳极的mini-MFC的最高电压达到710mV,最大功率密度达到22.3mW/m2,比以聚吡咯纳米线为阳极的mini-MFC的最大输出功率密度提高了40%。最后,研究了以基于聚吡咯纳米线为阳极的mini-MFC的胞外电子传输机制。分别以聚吡咯纳米线和聚吡咯纳米线/石墨烯的复合材料为阳极的mini-MFC中的胞外电子传输机制都可能有纳米线传递机制和氧化还原介体传递机制：(ⅰ)与聚吡咯纳米线直接接触的微生物,通过微生物表面与纳米线形成的“电子传输通道”,将电子从微生物表面传递到了mini-MFC的阳极表面；(ⅱ)未与阳极直接接触的微生物产生电子后将通过自身分泌出的氧化还原介体,将电子被“运输”到阳极表面。而以聚吡咯纳米线/石墨烯复合材料为阳极的mini-MFC中的除了上述的两种机制,还存在另一种可能的胞外电子传输机制,即与石墨烯直接接触的微生物,在细胞色素C的帮助下,将电子传递给石墨烯,再通过石墨烯与阳极之间的纳米线“通道”,将电子传递给阳极。
【关键词】：微型微生物燃料电池 聚吡咯纳米线 石墨烯 阳极 电子传输
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TM911.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-25
• 1.1 背景意义9-10
• 1.2 微生物燃料电池的概述10-18
• 1.2.1 微生物燃料电池的基本原理10-11
• 1.2.2 微生物燃料电池发展历史以及特点11-12
• 1.2.3 微生物燃料电池的应用前景12-13
• 1.2.4 微生物燃料电池的分类13-16
• 1.2.5 微生物燃料电池阳极研究现状16-18
• 1.3 微型MFC的研究18-23
• 1.3.1 聚吡咯纳米线概述18-21
• 1.3.2 石墨烯概述21-23
• 1.4 本文的主要研究内容和研究意义23-25
• 第二章 基于PPy纳米线材料的性能研究25-41
• 2.1 电化学与材料分析方法介绍25-28
• 2.2 实验部分28-29
• 2.2.1 实验中所用到的主要试剂及纯度28
• 2.2.2 实验中所用到的主要仪器28
• 2.2.3 聚吡咯纳米线以及聚吡咯纳米线/石墨烯复合材料的合成28-29
• 2.2.4 聚吡咯纳米线材料等的表征以及电化学性能测试29
• 2.3 实验结果分析29-39
• 2.3.1 表面形貌分析29-30
• 2.3.2 内部结构分析30-32
• 2.3.3 电子传输速率分析32-37
• 2.3.4 电化学阻抗分析37-39
• 2.4 本章小结39-41
• 第三章 基于PPy纳米线材料阳极的mini-MFC性能研究41-51
• 3.1 MFC性能评估方法介绍41-43
• 3.1.1 MFC电压的采集41-42
• 3.1.2 极化曲线与功率密度曲线的测量42
• 3.1.3 库仑效率42-43
• 3.2 实验部分43-47
• 3.2.1 实验中所用到的主要试剂及纯度43
• 3.2.2 实验中所用到的主要仪器43
• 3.2.3 微型微生物燃料电池(mini-MFC)的设计与构建43-47
• 3.2.4 mini-MFC的极化曲线、功率密度曲线以及生物膜的研究47
• 3.3 实验结果分析47-50
• 3.3.1 mini-MFC的极化曲线和功率密度曲线分析47-49
• 3.3.2 mini-MFC的库仑效率49
• 3.3.3 mini-MFC的阳极生物膜49-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第四章 以基于PPy纳米线为阳极的mini-MFC的胞外电子传输机制研究51-57
• 4.1 MFC的电子传输机制51-53
• 4.2 以聚吡咯纳米线为阳极的mini-MFC的胞外电子传输机制53-54
• 4.3 以聚吡咯纳米线/石墨烯复合材料为阳极的mini-MFC的胞外电子传输机制54-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第五章 全文总结与展望57-59
• 5.1 总结57-58
• 5.2 展望58-59
• 参考文献59-65
• 致谢65-67
• 作者简介67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 ;Coordinated organogel templated fabrication of silver/polypyrrole composite nanowires[J];Chinese Chemical Letters;2011年01期

2 王晖;杨平;郭勇;廖勋;李小芳;汪莉;;加入多孔球形颗粒微生物燃料电池的性能研究[J];环境工程学报;2010年02期

3 曾丽珍;李伟善;;微生物燃料电池电极材料的研究进展[J];电池工业;2009年04期

4 卢娜;周顺桂;倪晋仁;;微生物燃料电池的产电机制[J];化学进展;2008年Z2期

5 王庄林;;后石油时代的能源危机[J];资源与人居环境;2008年09期

6 洪义国;郭俊;孙国萍;;产电微生物及微生物燃料电池最新研究进展[J];微生物学报;2007年01期

7 付宁;黄丽萍;葛林科;陈景文;;微生物燃料电池在污水处理中的研究进展[J];环境污染治理技术与设备;2006年12期

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本文编号：523571