聚合物改性阳极在海底沉积物微生物燃料电池中的性能研究

发布时间：2017-03-26 13:13

  本文关键词：聚合物改性阳极在海底沉积物微生物燃料电池中的性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着人类生活水平的提高和经济社会的不断发展,能源短缺以及大量化石燃料的燃烧所带来的环境污染与破坏现象越来越引起人们的重视。寻找高效、环保的新型能源已经迫在眉睫。作为一种新型能源装置——微生物燃料电池(MFCs),它利用产电微生物自身的新陈代谢作用催化降解有机物产生电子,将部分化学能转化成电能。海底沉积物微生物燃料电池(BMFCs)是MFCs的一种类型,其产电方式是：产电微生物氧化、分解沉积物中的有机物质及部分无机物质释放出电子和质子：电子通过置于海底沉积物中的阳极和外电路传递到阴极,而质子则透过海水、海泥界面层传递到阴极附近并与阳极产生的电子和海水中的氧结合生成水,从而释放出电能。BMFCs为开发和利用广阔的海底沉积层提供了一种全新的方式,同时其简单的电池构型和环境友好性,使此类电池得到相关领域研究人员的广泛关注。但是,BMFCs输出能量较低的缺点限制了它在实际中的应用。其中,阳极表面与微生物之间较低的电子传递效率是导致电池性能缺陷的关键原因,因此提高并改进阳极的性能成为当前研究的焦点。导电聚合物作为一种新型的阳极改性材料也引起了学术界的广泛关注。本文着重探讨了导电聚合物改性阳极对BMFCs性能的影响,为BMFCs的实际应用提供了更多的理论依据。主要研究内容与结论如下：(1)利用电化学聚合方法在玻碳电极表面合成聚苯胺膜层,讨论了在不同聚合电位、掺杂酸种类、pH值和单体浓度下,.聚苯胺的电化学性能。结果表明：在0.5mol·L-1 H2SO4溶液中,扫描范围-0.2 V-0.9 V,单体浓度0.05 mol·L-1的条件下,聚苯胺表现出较好的电化学活性。(2)利用电化学聚合法在碳毡电极表面沉积导电聚苯胺膜层,并以该改性电极作为BMFCs的阳极。研究结果表明：电化学聚合后,碳毡电极表面附着一层导电型聚苯胺,电池性能明显提高；电池最大功率密度为160.1 mW·m。2(对应电流密度为400.0 mA·m-2),是未改性碳毡电极的2倍多。最后,分析了导电聚苯胺独特的掺杂-脱掺杂机制在改善BMFCs中电子传递作用方面的机理。(3)利用电化学聚合法在碳毡电极表面沉积导电聚苯胺-聚吡咯复合膜层,并以该改性电极作BMFCs的阳极。研究结果表明：电沉积后,电极表面附着大量的导电型聚苯胺-聚吡咯,电池性能明显提高：电池最大功率密度为213.4mW·m-2(对应电流密度为491.8 mA·m-2),是未改性碳毡电极的3倍左右。最后,分析了导电聚苯胺-聚吡咯复合膜层能够改善BMFCs性能的作用机理。
【关键词】：海底沉积物微生物燃料电池 聚苯胺 电化学聚合 阳极改性 电化学特性
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.45
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-32
• 1.1 引言12-13
• 1.2 微生物燃料电池13-16
• 1.2.1 微生物燃料电池13-14
• 1.2.2 海底沉积物微生物燃料电池14-16
• 1.3 聚苯胺16-25
• 1.3.1 聚苯胺的结构17-19
• 1.3.2 聚苯胺的掺杂及导电机理19-21
• 1.3.3 聚苯胺的合成21-25
• 1.4 聚吡咯25-27
• 1.4.1 聚吡咯的结构和导电机理25-26
• 1.4.2 聚吡咯的掺杂26
• 1.4.3 聚吡咯的合成26-27
• 1.5 导电聚合物在BMFCs中的应用27-28
• 1.6 常用表征及分析方法28-30
• 1.6.1 红外光谱分析28
• 1.6.2 三维视频显微镜28-29
• 1.6.3 阳极极化曲线29
• 1.6.4 功率密度曲线29
• 1.6.5 电池放电曲线29
• 1.6.6 循环伏安曲线29-30
• 1.7 本课题研究依据及研究内容30-32
• 2 PANI的电化学制备及其表征分析32-39
• 2.1 引言32
• 2.2 实验材料及仪器32-33
• 2.3 PANI的电化学合成33-36
• 2.3.1 不同掺杂酸PANI的制备34
• 2.3.2 不同聚合电位PANI的制备34-35
• 2.3.3 不同掺杂酸浓度值下PANI的制备35-36
• 2.4 PANI的结构表征36-37
• 2.5 分析与讨论37-38
• 2.6 本章小结38-39
• 3 PANI/PPy共聚物的电化学合成及表征39-43
• 3.1 引言39
• 3.2 实验材料及仪器39-40
• 3.3 PANI/PPy共聚物的电化学合成40-41
• 3.4 PANI/PPy的结构表征41
• 3.5 分析与讨论41-42
• 3.6 本章小结42-43
• 4 聚合物改性阳极在BMFC中的性能研究43-51
• 4.1 引言43
• 4.2 实验材料及仪器43-44
• 4.3 实验部分44-45
• 4.3.1 电极的制备44
• 4.3.2 BMFC的构建44
• 4.3.3 BMFC的性能测试44-45
• 4.4 实验结果讨论分析45-50
• 4.4.1 电极形貌分析45-46
• 4.4.2 循环伏安曲线46
• 4.4.3 电极极化曲线46-47
• 4.4.4 电池放电曲线及功率密度曲线47-48
• 4.4.5 改性阳极在BMFC中的机理探讨48-50
• 4.5 本章小结50-51
• 5 结论51-53
• 5.1 本论文主要结论51-52
• 5.2 实验主要创新点52
• 5.3 下一步可开展的相关工作52-53
• 参考文献53-58
• 致谢58-59
• 个人简历59
• 硕士期间发表的学术论文59

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