电子传递体在生物质燃料电池中的应用及电池性能优化

摘要

作为自然界中最重要的单糖，葡萄糖可以直接从大量的废弃生物质中获得。它价格低廉，无毒无害，使用方便，绿色环保。因为这些优点，葡萄糖被视为是燃料电池最合适的燃料之一。但目前的葡萄糖燃料电池使用的催化剂大多价格昂贵或者制作工艺复杂，不能投入大规模生产；而以纤维素为燃料的生物质燃料电池则面临着纤维素不易溶解、性能较低等问题。所以，急需寻求一种提高生物质燃料电池性能的方法，来促进燃料电池的进一步发展。
　　本文首先构建了一个带有阴离子交换膜的双室葡萄糖碱性燃料电池，分别将六种不同的电子传递体（2-羟基-1,4萘醌、甲基紫精、蒽醌、1,5-二氯蒽醌、中性红、亚甲基蓝）与活性炭混合后压到泡沫镍上做阳极，空气扩散电极为阴极，电解质溶液为1 M葡萄糖和3 M KOH。分别对不同阳极的性能进行了功率密度、极化曲线、EIS和Tafel曲线测试。当NQ与活性炭质量比为2:1时，电池的性能最好，可以达到16.10 W/m2的最大功率密度和47.74 A/m2的最大电流密度。同时，对NQ（2:1）组成的电池进行持久性测试，最大电压可达到0.63 V，电池运行426小时后基本放电完成，可产生1800.84 C的电量。
　　接着我们构建了一个简单的单室纤维素燃料电池，泡沫镍为阳极，空气扩散电极为阴极，主要讨论了纤维素溶液在 NaOH-水、NaOH/尿素、NaOH/硫脲、NaOH/尿素/硫脲以上四种体系中的溶解情况。实验发现，经NaOH/尿素/硫脲预处理后的纤维素溶解最佳，最大电流密度可以达到8.51 A/m2，最大功率密度达到了0.52 W/m2。为了进一步探究纤维素的溶解情况我们又对经四种体系预处理后的电池进行了EIS、LSV、Tafel和CV曲线的测试，进一步证明了尿素和硫脲可以促进纤维素的溶解。同时我们还对纤维素燃料电池进行了氧化产物的测定分析，进一步说明了纤维素被分解成了短链脂肪羧酸。此外，我们将第二章的固定化阳极运用到了纤维素燃料电池中，探究了它的产电性能，利用 FM-SEM观察了电极形貌，用EDS分析了电极的元素组成。
　　本文构建的燃料电池成本较低，绿色环保，且性能优于以往报道过的其他电池，为推动燃料电池的进一步发展提供了帮助。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 燃料电池

1.2 葡萄糖燃料电池

1.3 纤维素燃料电池

1.4 电子传递体

1.5 本论文的研究内容及主要目的

第2章 阳极修饰的双室葡萄糖碱性燃料电池

2.1 燃料电池的构建

2.2 实验方法

2.3 实验结果

2.4 讨论

2.5 本章小结

第3章 以纤维素为底物的单室燃料电池

3.1 燃料电池的构建

3.2 实验方法

3.3 实验结果

3.4 讨论

3.5 本章小结

第4章 总结与展望

4.1 总结

4.2 创新点

4.3 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢