【摘要】：環(huán)境與能源問題已然成為影響人類生存與發(fā)展的核心問題。近些年，微生物燃料電池（Microbial fuel cell, MFC）能夠利用微生物催化直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，是一種能實(shí)現(xiàn)污水凈化同時(shí)產(chǎn)電的新技術(shù)，因此受到了廣泛關(guān)注。 現(xiàn)階段MFC輸出功率密度偏低和構(gòu)建成本過高限制了其在工程中的實(shí)際應(yīng)用。隨著反應(yīng)器結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化，源于電極表面微生物催化反應(yīng)的活化內(nèi)阻逐漸成為制約MFC功率提升的關(guān)鍵；構(gòu)建成本則主要來(lái)源于陰極用于催化氧氣還原的貴金屬，尋找廉價(jià)高效的化學(xué)催化劑，或者利用微生物代替化學(xué)催化劑形成生物陰極可以有效降低MFC的構(gòu)建成本。 針對(duì)以上存在問題，本論文通過簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)陽(yáng)極電極的表面改性，提高微生物與陽(yáng)極電極之間的電子轉(zhuǎn)移速率，改善陽(yáng)極性能；在陰極，開發(fā)出廉價(jià)高效的氧氣還原復(fù)合催化劑用以替代貴金屬Pt，或者采用生物陰極取代貴金屬催化劑，篩選出廉價(jià)高效的適合生物陰極的電極材料以及利用簡(jiǎn)單高效方法修飾生物陰極材料，降低構(gòu)建成本的同時(shí)提高M(jìn)FC的性能，從而在材料制備和應(yīng)用方面為實(shí)現(xiàn)MFC的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)和切實(shí)可行的實(shí)施方案。得到如下主要結(jié)果與結(jié)論： （1）通過層層自組裝法制備了介孔碳修飾的碳紙電極，循環(huán)伏安法(Cyclicvoltammetry，CV)與電化學(xué)阻抗法（Electrochemical impedance spectroscopy，EIS）表明，相比于未經(jīng)介孔碳修飾的碳紙，其具有更好的穩(wěn)定的電化學(xué)性能,如增大了反應(yīng)活化面積和電子轉(zhuǎn)移速率，適宜應(yīng)用于MFC陽(yáng)極。以介孔碳修飾的碳紙作為陽(yáng)極的MFC獲得了237mW m-2功率密度，為未經(jīng)介孔碳修飾的碳紙作為陽(yáng)極的1.9倍（128mW m-2），同時(shí)期啟動(dòng)時(shí)間也縮短了68%，陽(yáng)極極化損失也大大降低。 （2）原位合成的二氧化錳碳納米管復(fù)合催化劑（‘in-situ MnO2/CNTs’），在中性緩沖溶液中對(duì)氧氣有很好的還原催化活性。掃描電鏡（Scanning electron microscope，SEM）顯示MnO2充分均勻的修飾于CNTs表面，且在高強(qiáng)度超聲后仍能穩(wěn)定的附著在CNTs管壁。將‘in-situ MnO2/CNTs’修飾于碳紙電極上，應(yīng)用于MFC陰極，最大輸出功率密度達(dá)到了210mW m2，與Pt/C相當(dāng)（229mW m2），表明‘in-situ MnO2/CNTs’可以作為一種廉價(jià)高效的氧氣還原催化劑替代Pt/C而應(yīng)用于MFC陰極。 （3）陰極材料的選擇對(duì)生物陰極型MFC極為重要。主要探究了常用的幾種材料石墨氈（Graphite felt，GF）、碳紙（Carbon paper）和不銹鋼網(wǎng)（Stainless steel mesh，，SSM）在MFC生物陰極中的應(yīng)用比較，GF-MFC的電流密度和最大功率密度分別為350mA m2和109.5mW m2，高于CP-MFC（210mA m2and32.7mW m2）和SSM-MFC（18mA m2and3.1mW m2）。三種材料對(duì)應(yīng)的MFC均獲得了較高的COD去除率，GF-MFC獲得了最大的庫(kù)倫效率11.7%。三種材料中，石墨氈最適合于應(yīng)用于雙室型生物MFC中的陰極中。 （4）通過簡(jiǎn)單可擴(kuò)大化的方法制得了CNTs修飾SSM電極CNTs-SSM。SEM顯示CNTs均勻的分布在不銹鋼網(wǎng)表面，形成了一個(gè)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其表面積也隨之提高。經(jīng)過高強(qiáng)度的超聲，修飾在不銹鋼網(wǎng)表面的CNTs也不會(huì)脫落，說(shuō)明CNTs與不銹鋼網(wǎng)的結(jié)合非常穩(wěn)固。CNTs-SSM-MFC的最大功率密度達(dá)到147mW m2，是SSM-MFC（3mW m2）的49倍之多。CV測(cè)試證明生物陰極上的生物膜可以催化還原氧氣，且CNTs-SSM生物陰極表現(xiàn)出氧氣催化還原效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SSM生物陰極。SSM在生產(chǎn)過程中可以極為方面的調(diào)整期纖維直徑、孔隙，這可以為其在MFC的實(shí)際應(yīng)用提供進(jìn)一步的優(yōu)化。此外，SSM易折易彎曲的特性可以使得在MFC實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需要構(gòu)建相應(yīng)結(jié)構(gòu)形狀的CNTs-SSM生物陰極，如立方形、圓柱形或者條狀。
[Abstract]:The problem of environment and energy has become a core problem that affects the survival and development of human beings. In recent years, the microbial fuel cell (MFC) can directly convert the chemical energy of the fuel into electric energy by using the microbial catalysis, and is a new technology which can realize the simultaneous electricity generation of the sewage purification, so that the microbial fuel cell (MFC) is widely concerned. At present, the output power density of MFC and the construction cost are too high to limit the actual application of MFC in the project With the optimization of the material of the reactor structure, the activation internal resistance of the microbial catalytic reaction from the surface of the electrode gradually becomes the key to the improvement of the MFC power; the construction cost is mainly derived from the noble metal used for catalyzing the oxygen reduction by the cathode, and the low-cost and high-efficiency chemical catalysis is found the preparation of the biological cathode by using the microorganism in place of the chemical catalyst can effectively reduce the construction of the MFC, According to the above problems, the surface modification of the anode electrode is realized by a simple method, the electron transfer rate between the microorganism and the anode electrode is improved, and the anode performance is improved; and at the cathode, the cheap and high-efficiency oxygen reduction composite catalyst is developed to replace the noble gold. Belongs to the field of Pt, or adopts a biological cathode to replace the noble metal catalyst, and the cheap and high-efficiency electrode material suitable for the biological cathode is screened, the biological cathode material is modified by a simple and high-efficiency method, the construction cost is reduced, and the MFC is improved. And provides valuable reference data and practical real-time practical application in material preparation and application to realize the large-scale practical application of the MFC. Application programme. The following main results are obtained The results are as follows: (1) The mesoporous carbon-modified carbon paper electrode, the cyclic voltammetry (CV) and the electrochemical impedance method (EIS) are prepared by layer-by-layer self-assembly method, which shows that the mesoporous carbon-modified carbon paper electrode, the cyclic voltammetry (CV) and the electrochemical impedance method (EIS) show that the mesoporous carbon-modified carbon paper electrode, the cyclic voltammetry (CV) and the electrochemical impedance method (EIS) show that the mesoporous carbon-modified carbon paper electrode, the cyclic voltammetry (CV) and the electrochemical impedance method (EIS) show that the mesoporous carbon the modified carbon paper has better stable electrochemical performance, such as increasing the reaction activation area and the electron transfer rate, The carbon paper modified with mesoporous carbon was used as the MFC of the anode to obtain 237 mW m-2 power density, which is 1.9 times (128 mW m-2) of the non-mesoporous carbon-modified carbon paper as the anode, and the starting time of the same period is also shortened by 68%, and the polarization loss of the anode and (2) in-situ synthesized manganese dioxide carbon nano-tube composite catalyst (in-situ MnO2/ CNTs'), the oxygen in the neutral buffer solution is very good, Scanning electron microscopy (SEM) showed that the MnO2 is well and uniformly modified on the surface of CNTs, and can still be attached stably after high-intensity ultrasound On the carbon paper electrode, the maximum output power density was 210 mW and the maximum output power density was 210 mW/ m2, which was equivalent to that of Pt/ C (229 mW m2), indicating that the "in-situ MnO2/ CNTs' could be used as an inexpensive and efficient oxygen reduction catalyst instead of Pt/ C." for MFC cathodes. (3) Selection of cathode materials for biological yin The current density and the maximum power density of GF-MFC were 350 mA and 109.5 mW, respectively, and higher than that of CP-MFC (210 mA m2and32.7 mW) and SSM-MFC (18 mA m2an). The corresponding MFC of the three materials obtained higher COD removal rate, and the GF-MFC was the largest. The coulomb efficiency is 11.7%. In the three materials, the graphite felt is most suitable for the two-chamber type In the cathode of MFC, CNTs-SSM (CNTs-SSM) modified by CNTs were prepared by simply and expansively. The SEM showed that CNTs were uniformly distributed on the surface of stainless steel mesh and a three-dimensional mesh junction was formed. The surface area of the structure is also improved, and the CNTs modified on the surface of the stainless steel mesh do not fall off after the high-strength ultrasonic wave, and the CNTs are explained. The combination of the stainless steel mesh is very stable. The maximum power density of the CNTs-SSM-MFC reaches 147 mW m2, which is the SSM-MFC (3 The results of the CV test show that the biofilms on the biological cathode can be used to catalyze the reduction of oxygen, and the CNTs-SSM biocathodes show the efficiency of the oxygen catalytic reduction. It is far higher than the SSM biological cathode. The SSM can adjust the fiber diameter and pore diameter during the production process, which can be the real time of the MFC. in addition, the characteristics of the easy-to-bend of the SSM can make it possible to construct the CNTs-SSM biological cathode of the corresponding structure shape according to the needs in the practical application of the MFC, such as
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：X703;TM911.45

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2485106