【摘要】：微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一種綠色能源,其利用富集在陽極的微生物作為催化劑氧化有機(jī)物,將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。但是,目前MFC的產(chǎn)能效率普遍很低,其中陰極性能是影響產(chǎn)能效率的主要因素之一。金屬鉑(Pt)由于其高電催化活性是目前最好的氧還原反應(yīng)(Oxygen Reduction Reaction,ORR)催化劑,但昂貴的價格和較少的資源儲備限制了其廣泛使用。因此,開發(fā)低成本、性能好的陰極催化劑對MFC的工業(yè)化至關(guān)重要。針對目前MFC存在的一些主要問題,本論文從催化劑成本及電催化性能出發(fā),采用廉價過渡金屬鐵(Fe)與鋅(Zn)作為金屬離子中心合成金屬有機(jī)框架(Metal Organic Frameworks,MOFs)材料,并以MOFs作為前驅(qū)體,通過高溫碳化,成功制備了鐵氮共摻雜的多孔碳材料,應(yīng)用于MFC陰極并考察其性能。本論文研究了不同碳化溫度對所合成催化劑性能的影響,以MOFs材料為唯一碳源,通過不同高溫煅燒,獲得的材料記為Fe-Zn-X(X=700,800,900)。同時制備了單金屬Fe基MOFs材料作為對照,同樣800℃碳化后記為Fe-800。對這些材料進(jìn)行一系列物理表征及電化學(xué)測試,考察所制備的鐵氮共摻雜的多孔碳材料的導(dǎo)電特性以及電化學(xué)活性,綜合測試結(jié)果分析,Fe-Zn-800導(dǎo)電性最好,具有最高的比表面積為544.83 m2/g,且吡啶型N與石墨型N含量總和最高,石墨化程度最高。同時Fe-Zn-800催化劑的電化學(xué)活性測試結(jié)果綜合來看也是最優(yōu)異的,測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)其有較正的還原電位以及最大的閉合曲線面積,且其催化氧還原反應(yīng)為4電子轉(zhuǎn)移路徑。最后將這些多孔碳材料涂覆在碳布表面用于MFC的陰極催化劑,選用碳刷做陽極,構(gòu)建單室微生物燃料電池,對其進(jìn)行產(chǎn)電性能研究。實驗結(jié)果表明,Fe-Zn-800 MFC具有最高的功率密度以及輸出電壓,功率密度達(dá)到0.76 W/m2,電壓達(dá)到0.53 V。其功率密度是商用Pt/C MFC的1.3倍,明顯優(yōu)于Fe-800 MFC的電池功率密度,0.21 W/m2。本論文制備的鐵氮共摻雜的多孔碳材料電催化性能優(yōu)于商用Pt/C催化劑,有望成為替代傳統(tǒng)Pt/C催化劑的材料。
【圖文】：

圖 1-1 微生物燃料電池工作原理示意圖[20]作原理具體為 5 個步驟：生物氧化反應(yīng)主要為厭氧反應(yīng)。構(gòu)建 MFC 體系時，接種的底物種。這些菌種大多數(shù)可以直接從廢水，污泥等處獲響 MFC 產(chǎn)電性能。產(chǎn)電菌通過分解底物中的有機(jī)生質(zhì)子和電子。常用的產(chǎn)電菌種有 Shewanellafurreducens。的電子傳遞陽極處，產(chǎn)電菌附著在陽極表面，通過降解有機(jī)底從產(chǎn)電菌轉(zhuǎn)移到陽極表面。產(chǎn)電菌種不同，在此處分為三種電子傳遞方式，電子直接轉(zhuǎn)移到電極表面]，通過納米導(dǎo)線傳遞[23]。路電子傳遞

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文受體接受來自于陽極處的電子和質(zhì)子程。通常以 O2作為陰極處電子受催化劑上，以此來高效實現(xiàn)陰極氧還池的構(gòu)型組裝方面，可以將微生物燃料電池分子交換膜分開的兩個獨(dú)立的反應(yīng)室兩室，即陰極室與陽極室和質(zhì)子交換抑制發(fā)電，，而這種被質(zhì)子交換膜分開，增大電子傳遞效率。但是由于這種換膜和相對較大的陰極與陽極之間阻礙輸出電壓的大小。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11;TB383.4

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