基于泡沫镍电极的微生物燃料电池电化学性能的研究

摘要

微生物燃料电池（MFC）是利用酶或微生物作为阳极催化剂来降解有机碳源或无机物质，并通过其代谢作用将有机物转化成电能，是利用微生物作为催化剂并产生电流的一种装置。阻碍MFC性能的主要问题是能量太低而不能直接利用。电极材料是影响MFC性能最重要的因素之一，因此，寻找廉价的电极材料，优化MFC反应器的配置，探索最佳运行条件，提高MFC的产电性能是非常重要的。除此之外，通过间歇地连接电阻和断开电阻，比在连续负载电阻的条件下可以产生更多的功率，但是目前对其研究甚少。 本研究以双室MFC为研究基础，从提高MFC产电性能的角度出发，选用相对廉价电极材料对其阴、阳极进行修饰，制备了rGO/MnO2/NF电极，通过X射线衍射（XRD），拉曼光谱和扫描电镜（SEM）对复合电极进行表征，表明采用两步水热反应的方法成功制得了rGO/MnO2/NF电极，有效提高了电极的比表面积。 rGO/MnO2/NF应用于MFC阴阳极，得出以下结论：rGO/MnO2/NF阳极能有效提高MFC的输出电压以及产电性能，最大功率密度可以达到684 mW/m2，是空白阳极和泡沫镍阳极的20倍和2.5倍。拥有较大的比表面积和低的电极内阻是阳极电子转移进程加速的重要原因。在运行4个月后，rGO/MnO2/NF-MFC电压下降了9.7%，说明rGO/MnO2/NF阳极稳定性比较好。rGO/MnO2/NF用于MFC阴极，通过比较发现它并不能提高MFC的输出电压和产电性能，MFC的性能反而降低了，最大功率密度只有17.8 mW/m2。这说明纯生物阴极比加了rGO/MnO2/NF的生物阴极的效果要好，无粘结剂的阴极的制备需要进一步的研究和探索。 另外，我们对rGO/MnO2/NF电容阳极在暂态模式(TSR)和稳态模式下对MFC性能的影响进行了探究。实验结果表明暂态模式的功率密度（529 mW/m2）大于稳态模式的功率密度（505 mW/m2），说明暂态调控确实有潜力进一步加强MFC的性能。原因是同一阳极但具有不同的电位可能会促使更多细胞色素的参与，从而在TSR操作模式下可以增强MFC的产电性能。为了使TSR模式下MFC的性能达到最好，对TSR模式参数进行了优化，发现当外部电阻为500Ω，占空比为67％，频率为1 Hz时，MFC的功率密度最大。从长期运行的实验结果得出TSR模式下的功率密度显著大于稳态模式下的功率密度。这个研究结果表明成功制备的复合阳极应用于MFC，可以提高其产电性，同时TSR模式下，可以进一步提升MFC性能，为TSR模式下基于电容阳极的微生物燃料电池性能的后续改进提供了可能性。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 微生物燃料电池

1.3 微生物燃料电池中电极材料的研究进展

1.4 超级电容器

1.5 需要解决的问题

1.6 本课题研究的目的及内容

2 实验材料与方法

2.1 实验试剂及仪器

2.2 实验材料的准备

2.3 实验装置

2.4 微生物燃料电池的启动

2.5 微生物燃料分析方法及指标

3 rGO/MnO2/NF复合电极的制备及电化学性能研究

3.1 rGO/MnO2/NF复合电极的制备

3.2 rGO/MnO2/NF电极的表征

3.3 复合阳极对微生物燃料电池产电性能的影响

3.4 复合阴极对微生物燃料电池阴极产电性能的影响

3.5 循环伏安测试

3.6 本章小结

4 TSR模式对MFC产电性能的影响

4.1 TSR模式

4.2 TSR模式参数的优化

4.3 TSR模式的长期运行

4.4 TSR模式对阳极电子转移的影响

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 不足和展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢