聚苯胺修饰阳极对微生物燃料电池产电和储能性能影响研究

摘要

微生物燃料电池（MFC）利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能，是一种绿色环保的产电技术。研究既可产电又可储能的材料，不仅增加了电池的输出功率，还能将开路时产生的电子储存于材料内部，闭路时与微生物代谢产生的电子一同释放，增大电池放电电流密度。本文研究了聚苯胺的制备、改性及在MFC中的应用，进一步提高了电池产电、储能性能。
　　以碳毡（CF）为基体，采用脉冲法、直流法分别制备聚苯胺（PANI），得到P-PANI/CF、DC-PANI/CF电极，将其与CF电极作为MFC阳极，比较组成MFC系统的产电和储能性能。PANI理论电容量较大，可稳定阳极性能并有利于电能输出。在充电60min，放电60min时，与CF电极相比，P-PANI/CF、DC-PANI/CF阳极的放电总量分别为CF阳极的2.19、1.71倍，放电电流密度从0.36A/m2分别增加到0.73A/m2、0.59A/m2，阳极储电量分别提高181.04％、111.18%。除此之外，沉积PANI的电极利于微生物附着，可增大电极产电性能。碳毡基体上聚合P-PANI、DC-PANI促使MFC系统的最大输出功率密度从41.93 mW/m2增加到221.43mW/m2、166.01mW/m2。
　　采用模板法合成 PANI，涂覆于浸渍碳纳米管（CNTs）的不锈钢毡（SF）表面，制得PANI/CNTs/SF电极。分别将SF、CNTs/SF、PANI/CNTs/SF电极作为MFC阳极，研究表明：SF阳极基本不具备产电和储能能力；而CNTs因其较好的生物相容性使CNTs/SF电极的性能得到改善；PANI的复合进一步提高了 MFC系统产电、储能能力。相比于CNTs/SF电极，PANI/CNTs/SF的电极最大输出功率增加了93.96mW/m2；在充电60min，放电60min时，放电总电量由999.44C/m2增加到2101.38C/m2，储存于阳极内部的电量由70.64C/m2增加至160.98C/m2，放电电流密度从0.26 A/m2增加到0.53 A/m2。
　　以海绵（S）为基体，先后复合CNTs、RGO、PANI，制得CNTs/S、RGO/CNTs/S、PANI/RGO/CNTs/S电极，研究各电极组成MFC系统的性能差异。三者均能与微生物相容，表现出较好的产电储能性能。而PANI比碳材料电容大，增大了电极的储能性能；复合后的电极电子传递效率提高，使 PANI/RGO/CNTs/S电极性能表现更优。当充电60min，放电60min时，PANI/RGO/CNTs/S电极的Qs为905.70C/m2，输出电流密度为0.93A/m2。此外，其最大输出功率可达584.92mW/m2，比CNTs/S电极高124.01%。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 微生物燃料电池技术

1.3 聚苯胺材料

1.4 选题目的、意义及内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1 实验仪器与药品

2.2 电极材料的分析表征方法与电化学性能测试

2.3 微生物燃料电池启动

2.4 微生物燃料电池的表征及性能测试

2.5 本章小结

第3章 电化学法制备聚苯胺及其在MFC中的性能研究

3.1 实验部分

3.2 电极电化学性能测试与表征

3.3 铁氰化钾溶液中电极电化学性能测试

3.4 MFC阳极表面形貌表征

3.5 电极在MFC系统中的性能测试

3.6 本章小结

第4章 化学法制备聚苯胺及其在MFC中的性能研究

4.1 实验部分

4.2 电极性能表征与电化学测试

4.3 MFC阳极表面形貌表征

4.4 电极在MFC系统中的性能测试

4.5 阳极涂覆质量不同的聚苯胺对MFC性能的影响

4.6 本章小结

第5章 三维大孔PANI/RGO/CNTs/海绵复合电极制备及其在MFC中的性能研究

5.1 实验部分

5.2 电极性能表征

5.3 铁氰化钾溶液中电极电化学性能测试

5.4 MFC阳极表面形貌表征

5.5 电极在MFC系统中的性能测试

5.6 本章小结

结论

参考文献

致谢