本文關(guān)鍵詞：適用于微生物燃料電池空氣陰極的制備及電化學(xué)性能研究

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【摘要】：面對日益嚴(yán)重的水體污染以及水資源匱乏,如何將廢水重復(fù)利用是解決水體問題的重要舉措。為了滿足實(shí)際應(yīng)用過程的擴(kuò)大化生產(chǎn),單室微生物燃料電池(MFC)是最常用的燃料電池之一,而影響單室MFC性能最重要的因素是陰極的材料、制備以及成本。對于空氣陰極的制備通常選用價(jià)格便宜的活性炭或摻雜Pt等貴金屬的活性炭作為陰極材料�；钚蕴亢投趸i是單室MFC中最常用的陰極材料,其良好的催化活性以及低廉的成本是選擇這兩種材料的原因。近幾年,有研究表明可以利用擴(kuò)散層的制備方法來制作電極的催化層以及空氣陰極,本文在此基礎(chǔ)之上,通過研究和測試兩種不同空氣陰極的制備方法,對其電化學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)考察了堿性pH條件下單室MFC空氣陰極的細(xì)菌生長情況,并對其形貌及性能做了進(jìn)一步的分析。1.活性炭/PTFE空氣陰極的制備及其性能本章主要研究并討論了活性炭與聚四氟乙烯(PTFE)按照一定比例制作而成空氣陰極。并對其進(jìn)行形貌、蛋白質(zhì)含量及電化學(xué)性能測試。研究結(jié)果表明,擴(kuò)散層聚四氟乙烯濾膜具有良好的疏水性和透氣性,能夠使空氣中的氧氣順利進(jìn)入電極表面。同時(shí),蛋白質(zhì)含量測得樣品濃度為0.076 g/mol,放電周期長且性能穩(wěn)定,最高電壓可達(dá)到517 mV。電池的輸出電壓隨電流的增大而減小,以AC為陰極的MFC可承受的最大電流為27 mA,最大功率密度為(2317±12)mW/m2,高于CCbP和CbCP電極。另一方面,通過電化學(xué)阻抗譜圖可以看出AC陰極具有最小的總內(nèi)阻,因此,AC是這三種材料中最適合的生物陰極。2.涂層法空氣陰極的制備及其性能本章主要研究并討論了兩種不同粘結(jié)劑對空氣陰極的影響,同時(shí)在使用最優(yōu)粘結(jié)劑的基礎(chǔ)上,對活性炭與玻璃膠的比例、擴(kuò)散層的層數(shù)進(jìn)行了比較與分析。研究結(jié)果表明,選用玻璃膠作為粘結(jié)劑時(shí)表現(xiàn)出良好的防水性和透氣性,且表明平整光滑,有利于電極的組裝。當(dāng)活性炭與玻璃膠比例為7：3時(shí)可以獲得較高的開路電壓,且線性掃描時(shí)最大極限電流可以達(dá)到35 mA；當(dāng)擴(kuò)散層厚度涂抹一層時(shí),電極表現(xiàn)出較好的性能,最大極限電流可以達(dá)到36 mA。3.堿性體系MFC電池的啟動及其電化學(xué)性能的研究我們主要研究討論了pH=9、10、11、12四種堿性條件下微生物燃料電池放電情況,同時(shí)與pH=7中性條件進(jìn)行對比。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),相較于PH=7體系中放電電壓500 mV,pH=10時(shí)電池的放電電壓530 mV,放電周期100 h,且每一周期的電量和電功均高于pH=7時(shí)的值。但堿性體系中存在多種雜菌,造成電極電性能測試的不穩(wěn)定性。在pH=10時(shí),底物濃度越高對電池的放電效果越好,生物陽極表面附著的生物量越多。
【關(guān)鍵詞】：活性炭 PTFE 空氣陰極 粘結(jié)劑 堿性體系 電化學(xué)性
【學(xué)位授予單位】：揚(yáng)州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O646;TM911.45
【目錄】：

• 摘要2-4
• Abstract4-9
• 第一章 緒論9-28
• 1.1 引言9-10
• 1.2 微生物燃料電池的發(fā)展歷史10-11
• 1.3 微生物燃料電池的研究現(xiàn)狀11-14
• 1.3.1 室MFC的基本原理11-13
• 1.3.2 單室MFC基本原理13-14
• 1.3.3 微生物燃料電池的分類14
• 1.4 MFC陰極催化劑的重要性及發(fā)展現(xiàn)狀14-18
• 1.5 課題研究目的、意義與主要內(nèi)容18-20
• 1.5.1 研究目的、意義18
• 1.5.2 主要內(nèi)容18-20
• 1.6 參考文獻(xiàn)20-28
• 第二章 活性炭/PTFE空氣陰極的制備及其性能28-43
• 2.1 引言28-29
• 2.2 材料與方法29-33
• 2.2.1 主要試劑及儀器29-30
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置30-31
• 2.2.3 電極的制作與處理31-33
• 2.2.4 蛋白質(zhì)含量測定33
• 2.2.5 場發(fā)射掃描電子顯微鏡33
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方法33-35
• 2.3.1 MFC電池的啟動33-34
• 2.3.2 電化學(xué)分析方法34-35
• 2.4 結(jié)果與討論35-40
• 2.4.1 場發(fā)射掃描電鏡35-36
• 2.4.2 蛋白質(zhì)測定曲線36
• 2.4.3 時(shí)間-電壓放電曲線36-37
• 2.4.4 極化曲線和功率密度37-39
• 2.4.5 電化學(xué)阻抗譜分析39-40
• 2.5 本章小結(jié)40-41
• 2.6 參考文獻(xiàn)41-43
• 第三章 涂層法空氣陰極的制備及其性能43-59
• 3.1 引言43
• 3.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法43-47
• 3.2.1 構(gòu)建單室MFC反應(yīng)器的材料43-45
• 3.2.2 制備空氣陰極時(shí)所需的材料45
• 3.2.3 單室MFC啟動所需的實(shí)驗(yàn)試劑及儀器45-46
• 3.2.4 單室MFC啟動后所用儀器46
• 3.2.5 接觸角測試方法46
• 3.2.6 電化學(xué)測試方法46-47
• 3.3 涂層法制備空氣陰極47-49
• 3.3.1 不同玻璃膠含量空氣陰極的制備47-48
• 3.3.2 不同防水層厚度空氣陰極的制備48-49
• 3.4 結(jié)果與討論49-55
• 3.4.1 粘結(jié)劑與活性炭不同比例對空氣陰極性能的影響49-53
• 3.4.1.1 催化層的親/疏水性測試49-51
• 3.4.1.2 開路電勢及平衡時(shí)間曲線51-52
• 3.4.1.3 線性電勢掃描法(LSV)52
• 3.4.1.4 氧氣擴(kuò)散速率52-53
• 3.4.2 不同防水透氣層厚度對空氣陰極性能的影響53-55
• 3.4.2.1 開路電勢及平衡時(shí)間53-54
• 3.4.2.2 線性電勢掃描法(LSV)54-55
• 3.5 本章小結(jié)55-57
• 3.6 參考文獻(xiàn)57-59
• 第四章 堿性體系MFC電池的啟動及其電化學(xué)性能59-75
• 4.1 引言59-60
• 4.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法60-62
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑60
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及啟動60-62
• 4.2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置60-61
• 4.2.2.2 PH=10堿性MFC接種與啟動61-62
• 4.3 場發(fā)射掃描電鏡62
• 4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析62-72
• 4.4.1 pH=10堿性體系的建立62-66
• 4.4.1.1 pH=10雙室MFC放電曲線62-63
• 4.4.1.2 pH=10單室MFC放電曲線63-64
• 4.4.1.3 pH=7單室MFC放電曲線64-65
• 4.4.1.4 電量、電功分布圖65-66
• 4.4.2 場發(fā)射掃描電鏡66-67
• 4.4.3 不同pH陽極溶液電化學(xué)性能測試67-69
• 4.4.3.1 pH=10不同體系的建立67
• 4.4.3.2 線性掃描——LSV67-68
• 4.4.3.3 極化曲線68-69
• 4.4.4 不同底物濃度的放電情況69-72
• 4.4.4.1 不同底物濃度的放電曲線70-71
• 4.4.4.2 電量、電功分布圖71-72
• 4.5 本章小結(jié)72-73
• 4.6 參考文獻(xiàn)73-75
• 第五章 總結(jié)與展望75-77
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文77-78
• 致謝78-79

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