【摘要】：微生物燃料電池(Microbial fuel cell,MFC)是一種能夠利用微生物作催化劑,將有機(jī)質(zhì)儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,具有發(fā)電與廢棄物處置的雙重功效。MFC具有操作條件溫和、生物相容性強(qiáng),安全、高效、連續(xù)等優(yōu)點(diǎn),在微生物傳感器、生物修復(fù)、污水處理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,輸出功率密度低仍然是限制其進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的重要因素。陽極的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)是影響其表面微生物生長和產(chǎn)電活性的主要因素,并最終影響MFC體系的產(chǎn)電性能。因此,本課題通過簡易方法制備了具有較大比表面積的多孔石墨烯陽極,表面親水且荷正電的石墨烯-CTAB陽極以及石墨烯摻雜生物膜陽極,并運(yùn)行了單室空氣陰極MFC,考察了這三種石墨烯修飾陽極對MFC體系產(chǎn)電性能的影響。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)制備了多孔石墨烯陽極(N/G 50和N/G 100),并考察了其對空氣陰極單室MFC運(yùn)行性能的影響。與采用傳統(tǒng)方法制備的石墨烯修飾陽極相比,多孔石墨烯陽極具有較大比表面積,更有利于微生物的附著生長和生物膜內(nèi)電子的傳遞。MFC運(yùn)行穩(wěn)定后,多孔石墨烯陽極顯示出更高的電化學(xué)活性和較低的電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻(Rct),并且N/G 100陽極的性能最優(yōu)異,N/G 100陽極MFC體系的輸出電壓,最大功率密度(Pmax)和庫倫效率(CE)分別為~0.60 V,1000 mW·m-2和49.34%,分別是傳統(tǒng)石墨烯陽極MFC體系的1.88倍,1.99倍和2.36倍。(2)通過簡單真空過濾的方法制備了無粘結(jié)劑,低石墨烯負(fù)載量的石墨烯-十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)陽極(G-CTAB-2.5,G-CTAB-5和G-CTAB-10),并考察了其對空氣陰極單室MFC運(yùn)行性能的影響。G-CTAB陽極具有親水性荷正電表面,有利于微生物的附著和生長。幾個G-CTAB陽極中G-CTAB-5陽極親水性最好,Zeta電位最高,G-CTAB-5陽極MFC體系的輸出電壓,Pmax和CE最高,分別為0.57 V,731.3 mW·m-2和45.74%。(3)采用簡單的方法制備了石墨烯摻雜生物膜陽極(G-0.75,G-1.5和G-3),并考察了其對空氣陰極單室MFC運(yùn)行性能的影響。在陽極生物膜中摻雜石墨烯大大提高了生物膜的導(dǎo)電率,促進(jìn)了生物膜內(nèi)電子轉(zhuǎn)移過程。與純生物膜陽極相比,石墨烯摻雜生物膜陽極具有更高的電化學(xué)活性和較低的Rct,幾個石墨烯摻雜生物膜陽極中G-3陽極性能最佳。石墨烯摻雜生物膜陽極MFCs的啟動時間明顯縮短,其中G-3陽極MFC在接通外電路后立即開始產(chǎn)電,體系的輸出電壓和Pmax分別是~0.53 V和588 mW·m-2,是純生物膜陽極MFC體系的2.41倍和4.98倍。并且,G-3陽極MFC體系的CE由純生物膜陽極MFC體系的50.03%提高到73.97%。
[Abstract]:Microbial fuel cell (Microbial fuel cell,MFC) is a device that can convert the chemical energy stored in organic matter into electric energy by using microorganism as catalyst, which has the dual function of generating electricity and disposing of waste. MFC has mild operating conditions. Because of its strong biocompatibility, safety, high efficiency and continuity, it has a broad application prospect in microbial sensors, bioremediation, sewage treatment and so on. However, low output power density is still an important factor limiting its practical application. The structure and properties of the anode are the main factors affecting the surface microbial growth and electrical activity, and ultimately affect the electrical properties of the MFC system. Therefore, a porous graphene anode with a large specific surface area, a hydrophilic and positively charged graphene CTAB anode and graphene doped biofilm anode have been prepared by a simple method in this paper. The single chamber air cathode MFC, has been run. The effects of three graphene modified anodes on the electrical properties of MFC system were investigated. The main contents and results are as follows: (1) porous graphene anodes (N / G _ (50) and N _ (r / G _ 100) were prepared and their effects on the performance of single-cell MFC were investigated. Compared with the graphene modified anode prepared by traditional method, the porous graphene anode has a larger specific surface area, which is more conducive to the growth of microorganism and electron transfer in biofilm. The porous graphene anode exhibits higher electrochemical activity and lower charge transfer resistance (Rct),) and the best performance of the N / G100 anode is the output voltage of the N / G100 anode MFC system. The maximum power density (Pmax) and the Coulomb efficiency (CE) are ~ 0.60 V ~ (1 000) mW m ~ (-2) and 49.34 mW m ~ (-2), respectively, which are 1.88 times of those of the traditional graphene anodic MFC system, respectively. 1.99 times and 2.36 times. (2) Non-binder, low graphene supported graphene cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) anode (G-CTAB-2.5) was prepared by simple vacuum filtration. G-CTAB-5 and G-CTAB-10), and their effects on the performance of MFC in single cell of air cathode were investigated. The positive surface of hydrophilic charge on G-CTAB anode is favorable to the adhesion and growth of microorganism. Among several G-CTAB anodes, G-CTAB-5 anode has the best hydrophilicity, Zeta potential is the highest, G-CTAB-5 anode MFC system has the highest output voltage, Pmax and CE are 0.57V, respectively. (3) the graphene doped biofilm anode (G-0.75G -1.5 and G-3) was prepared by a simple method and its effect on the performance of MFC in air cathode single cell was investigated. Doping graphene into anodic biofilm greatly increases the conductivity of biofilm and accelerates the electron transfer process in biofilm. Compared with pure biofilm anode, graphene doped biofilm anode has higher electrochemical activity and lower Rct,. G-3 anode has the best performance among several graphene doped biofilm anodes. The start-up time of graphene doped biofilm anode MFCs was shortened obviously, in which G-3 anode MFC began to produce electricity immediately after the external circuit was switched on, the output voltage and Pmax of the system were ~ 0.53 V and 588 mW m-2, respectively. It is 2.41 times and 4.98 times of pure biofilm anode MFC system. The CE of G-3 anode MFC system increased from 50.03% to 73.97% of the pure biofilm anode MFC system.
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.45

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