【摘要】：微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一種可以利用污水發(fā)電的裝置,因而具有非常巨大的潛在用途。然而目前的MFC存在著輸出功率低等普遍問(wèn)題,其中陽(yáng)極材料是影響MFC性能的主要的因素之一。性能優(yōu)異的陽(yáng)極材料應(yīng)該具備導(dǎo)電性能強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)。金屬有機(jī)框架材料(MOF)具有比表面積大、多孔、材料組成可調(diào)的特點(diǎn),是一種潛在的電極材料。本論文制備了銅、鋅的MOF材料,摻入客體金屬鹽,高溫碳化并洗滌,最終得到具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的納米硅藻材料,考察了其作為MFC陽(yáng)極的性能以及材料組成對(duì)MFC性能的影響。通過(guò)水熱法合成經(jīng)典的MOF材料HKUST-1,經(jīng)過(guò)碳化、洗滌等處理后最終制備四種具有硅藻形態(tài)的碳材料,記為Cu-ATM、Cu-ATT、Zn-ATM、Zn-ATT。通過(guò)對(duì)四種納米硅藻材料的一系列物理表征,證明材料的成功合成。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明,四種材料的石墨化程度相近,其中以Cu-ATM的形貌硅藻化程度最高,相應(yīng)的比表面積最大為841.94 m~2/g,遠(yuǎn)大于Cu-ATT、Zn-ATM和Zn-ATT。電極的電化學(xué)測(cè)試說(shuō)明納米硅藻材料能降低陽(yáng)極電阻,且Cu-ATM電阻最小。考察了Cu-ATM、Cu-ATT、Zn-ATM、Zn-ATT四種材料作為MFC陽(yáng)極的性能。研究表明四種材料對(duì)MFC性能都有一定程度的提升,其中對(duì)于MFC的輸出電壓來(lái)說(shuō),以Zn-ATM最高為0.635 V,且啟動(dòng)時(shí)間最短為2.2天,碳布電壓最低(0.587 V),啟動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)為7天。對(duì)于MFC的輸出功率,則以Cu-ATM最高為3.30 W/m~2,其次是Cu-ATT為3.10 W/m~2,碳布最低為2.44 W/m~2。同樣的,Cu-ATM材料組裝的MFC具有更高的COD去除效率,COD降解率最高為74.41%。電極微生物群落分析表明陽(yáng)極微生物主要為產(chǎn)電菌Geobacter,材料組成影響微生物群落結(jié)構(gòu),其中Cu-ATT電極表面Geobacter占比最高,與其其較高的功率密度的結(jié)果一致,表明材料對(duì)產(chǎn)電菌的富集亦是改善MFC性能的主要原因�？傊�,四種納米硅藻材料對(duì)MFC的產(chǎn)電性能具有一定的提升,對(duì)比各個(gè)材料,Cu-ATM和Cu-ATT的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、導(dǎo)電性好、電池性能等方面均優(yōu)于Zn-ATM和Zn-ATT,說(shuō)明基于Cu的材料更佳。與此同時(shí),通過(guò)對(duì)比摻ATM和ATT顯然摻ATM效果更好。本論文所制備的納米硅藻材料有望成為一種新型的電極材料,并為構(gòu)建高性能的MFC陽(yáng)極材料提供了一種新的思路。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM911.4
【圖文】：

圖 1-1 微生物燃料電池工作原理（雙室）常以乙酸鈉作為細(xì)菌發(fā)電底物，其反應(yīng)方程式為：-+ 2H2O → 2CO2+ 7H++ 8e- + 4e- → 2H2O 物燃料電池性能的因素電池的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)常以其電壓和功率作為重要參等化學(xué)電池 MFC 電壓的產(chǎn)生要復(fù)雜許多。在 MFC 長(zhǎng)定植在電極表面，產(chǎn)生酶類或是一些結(jié)構(gòu)來(lái)完成多種微生物同時(shí)存在的混合細(xì)菌的 MFC 體系中，相同，即使是單一的純菌體系 MFC 其微生物產(chǎn)生受到各種因素的影響。但是，根據(jù)電子供受體的熱壓可以計(jì)算出其上限值[15]。

圖 1-3 各種石墨烯類的 MFC 陽(yáng)極a)石墨烯微片；b) 皺折氧化石墨烯顆粒；c)具有 3D 石墨烯大孔支架的小型化 MFC 示意圖；d)3D 石墨烯大孔支架.1.3 碳納米管碳納米管（CNT）是碳的另一種同素異形體，與石墨烯類似，其中碳原子邊形排列，碳原子以 sp2雜化為主，同時(shí)六角形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在一定程度的，可以看作是石墨烯片層卷曲而成，可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。米管具有化學(xué)惰性和良好的機(jī)械穩(wěn)定性和導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前景極材料，已被用作 MFC 中的陽(yáng)極電極改性劑[48]。

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本文編號(hào)：2740484