微生物燃料电池中离子交换膜的制备和阴极电极的改性

摘要

微生物燃料电池利用微生物在处理有机废水的同时产生电能，是一种很有前景的技术。离子交换膜和阴极电极是MFC的重要组成部分，对MFC的产电性能有重大影响。本论文中，我们制备了嵌段磺化聚芳醚砜阳离子交换膜、季铵化聚芳醚砜阴离子交换膜和掺杂二氧化锰(MnO2)纳米颗粒的阴极电极。
　　制备了一系列具有不同链段长度的嵌段磺化聚芳醚砜阳离子交换膜并作为分离膜研究应用在MFC中。研究结果表明:bSPAES膜具有很好的尺寸稳定性和水解稳定性，尺寸变化各向同性并处于10～20％之间。bSPAES膜的吸水率为36～73％，电导率为81～140mS/cm，而商业膜ULTREXCMI-7000相同条件下吸水率为25％，电导率仅为20mS/cm。由于在亲水磺化部分引入了刚性更强的芴结构，bSPAES膜具有很好的机械性能，杨氏模量近1GPa。在MFC中运行1000h后，bSPAES膜的电导率几乎没有变化。在100℃水中浸泡24h测得的水解稳定性表明，重量损失仅为1.5至6.3％。MFC的最大功率密度随链段长度的增加而增加，与ULTREXCMI-7000膜相比，bSPAES膜表现出更好的产电性能，并且bSPAES(30/30)膜的最大功率密度达到705mW/m2。
　　成功制备了一系列基于季铵化聚芳醚砜聚合物阴离子交换膜(QPAES-OH)，其IEC水平通过氯甲基化反应时间控制。通过1HNMR表征了PAESs和CMPAESs聚合物的化学结构。IEC控制在1.35～1.73mml/g，对应的QPAES-OH膜的吸水率为12.9～35.9％，电导率为6.5～13.1mS/cm。在80℃水中浸泡24h水解稳定性测试结果表明，重量损失为0.2～3.3％。MFC的最大功率密度随着IEC的增加而增加，且高于AMI-7001膜(175.3mW/m2)，当IEC为1.73mmol/g时MFC的最大功率密度达到326.2mW/m2。
　　通过氧化还原反应和水热法制备了三种类型的MnO2纳米颗粒（α-、β-、Y-），研究了三类MnO2纳米颗粒氧还原反应(ORR)催化剂在空气阴极MFC中的性能。分别采用循环伏安法(CV)测试、扫描电镜和X射线衍射表征了MnO2纳米颗粒和电极。结果表明:β-MnO2电极具有最好的ORR催化活性，在双室MFC的应用中，β-MnO2-MFC的最大输出功率密度可达到183.1mW/m2，MFC内阻仅91Ω。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 微生物燃料电池

1．2 分离膜

1．2．1 阳离子交换膜

1．2．2 阴离子交换膜

1．2．3 其它类型的分离膜

1．3 阴极电极的改性

1．3．1 铂基催化剂

1．3．2 新型催化剂

1．4 论文的研究目的和主要内容

2 实验材料与实验方法

2．1 实验设各及实验原料

2．1．1 实验设备

2．1．2 实验原料与试剂

2．1．3 试剂精制与原料纯化

2．2 表征方法

2．2．1 核磁共振分析

2．2．2 X射线衍射分析

2．2．3 扫描电镜显微镜

2．2．4 循环伏安曲线(CV)

2．2．5 相对粘度

2．2．6 离子交换容量

2．2．7 吸水率和尺寸变化

2．2．8 电导率

2．2．9 水解稳定性

2．2．10 机械性能

2．2．11 MFC的构造及运行

2．2．12 电化学性能测定

3 嵌段磺化聚芳醚砜阳离子交换膜的制备及在MFC中发电性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 聚合物的合成

3．2．2 阳离子交换膜的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 嵌段共聚物的合成与表征

3．3．2 聚合物合成、膜的制备及基本性能

3．3．3 吸水率、尺寸变化及电导率

3．3．4 水解稳定性和机械强度

3．3．5 MFC的产电性能

3．4 本章小结

4 阴离子交换膜的制备及在MFC中发电性能的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 季铵化阴离子交换膜的制备

4．2．2 聚芳醚砜聚合物的合成

4．2．3 聚合物的氯甲基化

4．2．4 氯甲基化阴离子交换膜的制备

4．2．5 阴离子交换膜的季铵化及碱化

4．3 结果与讨论

4．3．1 聚芳醚砜的氯甲基化反应

4．3．2 离子交换容量、吸水率、尺寸变化和电导率

4．3．3 水解稳定性和机械性能

4．3．4 MFC的产电性能

4．4 本章小结

5 电极材料的改性及在空气阴极MFC中的应用

5．1 引言

5．2 实验部分

5．3 结果与讨论

5．3．1 MnO2纳米颗粒和石墨毡电极的表征

5．3．2 不同催化剂电极的ORR电化学活性

5．3．3 MFC的产电性能

5．4 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

附录