微生物燃料電池(microbial fuel cell,MFC)是近年來在環(huán)境保護(hù)和能源領(lǐng)域興起的一項(xiàng)綠色產(chǎn)電新技術(shù),它通過電活性微生物不斷地從有機(jī)廢物中提取能量并將其轉(zhuǎn)化為電流,是與傳質(zhì)學(xué)、微生物學(xué)、電化學(xué)、材料科學(xué)和環(huán)境工程學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域交叉融合而發(fā)展起來的一種全新的電能生產(chǎn)技術(shù)。MFC技術(shù)在污水處理、污染物處理、電解制氫、脫鹽海水淡化、CO₂轉(zhuǎn)化和微生物傳感器等方面具有巨大的應(yīng)用前景。近年來,MFC技術(shù)受到廣泛的關(guān)注。然而,能量密度低成為限制其實(shí)際應(yīng)用的最大障礙。MFC陽極作為電活性生物膜生長和電子收集的部位,其表面性質(zhì)(比表面積、導(dǎo)電性、生物相容性等)和其表面生物膜對(duì)它的性能有著直接而重要的影響。因此,優(yōu)化陽極和陽極生物膜對(duì)提高整個(gè)MFC的功率密度輸出具有非常重要的作用。本文針對(duì)陽極電極和陽極生物膜,展開以下兩個(gè)方面的研究:陽極電極的優(yōu)化和陽極電活性生物膜內(nèi)部過程的表征。具體的研究工作如下:(1)三維大孔不銹鋼纖維氈(SSFF)電極及其改性的研究。本文利用商用羧基化石墨烯(GN)、電化學(xué)法制備石墨烯(rGO,恒電位法)、碳納米管(CNT)、活性炭(AC)和聚...

【文章頁數(shù)】：174 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題背景與意義
    1.2 MFC工作原理
        1.2.1 胞外電子傳遞機(jī)理
        1.2.2 電化學(xué)熱力學(xué)原理
        1.2.3 生物膜內(nèi)質(zhì)量傳輸
        1.2.4 電化學(xué)損失
    1.3 陽極材料的研究進(jìn)展
        1.3.1 塊狀無孔電極
        1.3.2 顆粒填充多孔電極
        1.3.3 纖維多孔電極
        1.3.4 網(wǎng)狀大孔電極
    1.4 陽極生物膜的研究進(jìn)展
        1.4.1 傳統(tǒng)生物膜
        1.4.2 電活性生物膜
        1.4.3 生物膜內(nèi)部的傳輸
        1.4.4 微電極的使用
    1.5 運(yùn)行參數(shù)對(duì)生物膜性能的影響
        1.5.1 極化電勢
        1.5.2 pH值
        1.5.3 水力條件
        1.5.4 其它參數(shù)
    1.6 存在問題
    1.7 本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)
        1.7.1 主要研究內(nèi)容
        1.7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
第2章 碳納米材料修飾MFC大孔陽極性能的研究
    2.1 引言
    2.2 材料與方法
        2.2.1 試劑與材料
        2.2.2 GN/SSFF電極的制備
        2.2.3 MFC的接種
        2.2.4 MFC構(gòu)型及其運(yùn)行
        2.2.5 性能表征
    2.3 結(jié)果與分析
        2.3.1 電極形貌分析
        2.3.2 電壓曲線
        2.3.3 功率密度曲線
        2.3.4 循環(huán)伏安特性分析
        2.3.5 阻抗譜分析
    2.4 小結(jié)
第3章 聚苯胺修飾MFC陽極性能的研究
    3.1 引言
    3.2 材料與方法
        3.2.1 試劑與材料
        3.2.2 PANI/SSFF電極的制備
        3.2.3 MFC的接種
        3.2.4 MFC的運(yùn)行
        3.2.5 性能表征
    3.3 結(jié)果與分析
        3.3.1 PANI的形成過程
        3.3.2 PANI/SSFF形貌分析
        3.3.3 聚合圈數(shù)對(duì)MFC性能的影響
        3.3.4 合成方法對(duì)MFC性能的影響
    3.4 小結(jié)
第4章 電化學(xué)法制備大孔石墨烯改性陽極
    4.1 引言
    4.2 材料與方法
        4.2.1 試劑與材料
        4.2.2 rGO/SSFF電極的制備
        4.2.3 MFC的接種
        4.2.4 MFC的運(yùn)行
        4.2.5 性能表征
    4.3 結(jié)果與分析
        4.3.1 恒電位法還原GO
        4.3.2 GO/SSFF和rGO/SSFF性能的對(duì)比
        4.3.3 拉曼光譜
        4.3.4 電鏡掃描
        4.3.5 電流密度曲線
        4.3.6 陽極和陰極電位曲線
        4.3.7 功率密度曲線
        4.3.8 生物陽極的CV性能
        4.3.9 重復(fù)實(shí)驗(yàn)組
    4.4 小結(jié)
第5章 石墨烯紙作為MFC陽極性能的研究
    5.1 引言
    5.2 材料與方法
        5.2.1 試劑與材料
        5.2.2 GOpaper和rGOpaper的制備
        5.2.3 MFC接種與運(yùn)行
        5.2.4 性能表征
    5.3 結(jié)論與討論
        5.3.1 電極形貌表征
        5.3.2 電極結(jié)構(gòu)表征
        5.3.3 電壓和電流曲線
        5.3.4 CV曲線
    5.4 小結(jié)
第6章 陽極生物膜內(nèi)電荷和質(zhì)量傳遞阻抗
    6.1 引言
    6.2 材料與方法
        6.2.1 半電池的構(gòu)造
        6.2.2 極化電位的選擇
        6.2.3 接種與運(yùn)行
        6.2.4 電化學(xué)測試
    6.3 結(jié)果與討論
        6.3.1 電流密度曲線
        6.3.2 電化學(xué)阻抗譜
        6.3.3 循環(huán)伏安曲線
    6.4 小結(jié)
第7章 電活性生物膜內(nèi)pH值的分布
    7.1 引言
    7.2 材料與方法
        7.2.1 半電池的構(gòu)造
        7.2.2 pH微電極系統(tǒng)
        7.2.3 pH微電極測試
    7.3 結(jié)論與討論
        7.3.1 陽極生物膜生長
        7.3.2 pH-深度分布曲線
        7.3.3 生物膜底部pH值變化
        7.3.4 主體溶液pH值變化
        7.3.5 生物膜底部與主體溶液之間的pH差值
        7.3.6 循環(huán)伏安特性
        7.3.7 緩沖溶液濃度對(duì)陽極生物膜的影響
    7.4 小結(jié)
第8章 陽極電活性生物膜厚度
    8.1 引言
    8.2 材料與方法
    8.3 結(jié)論與討論
        8.3.1 分層生物膜概念模型的引入
        8.3.2 質(zhì)子在電活性生物膜內(nèi)的傳遞方式
        8.3.3 電活性生物膜厚度的變化
        8.3.4 生物膜內(nèi)平均pH值的變化
    8.4 小結(jié)
結(jié)論與展望
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
致謝



本文編號(hào)：3905009