海底微生物燃料電池(Benthonic microbial fuel cell,BMFC)利用海底沉積泥中的微生物降解有機(jī)物來(lái)獲得電能,具有底物豐富,長(zhǎng)期運(yùn)行,維護(hù)成本低,環(huán)境友好等特點(diǎn),具有很好的研究?jī)r(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。目前,海底微生物燃料電池不能得到廣泛地實(shí)際應(yīng)用,主要是由于其低的功率密度輸出和長(zhǎng)期運(yùn)行的不穩(wěn)定性,其中陽(yáng)極是限制其功率密度輸出的主要因素之一。在本論文研究中,比較了不同陽(yáng)極材料和預(yù)處理方法以及陰陽(yáng)極面積比分別對(duì)BMFC性能的影響。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出,選用碳?xì)肿鳛殛?yáng)極材料,電池性能最穩(wěn)定;陰陽(yáng)極電極最佳面積比為1:1;1 mol/L氨水浸泡處理碳?xì)株?yáng)極時(shí),BMFC最大開(kāi)路電壓值最高,為0.76 V。為了提高陽(yáng)極的性能,本論文探究了恒電位合成聚苯胺修飾陽(yáng)極不同后處理對(duì)電池性能影響;不同電化學(xué)合成法制備聚苯胺修飾陽(yáng)極對(duì)電池性能影響;聚苯胺分別與鐵化合物、錳化合物的復(fù)合物修飾陽(yáng)極對(duì)BMFC性能的影響。研究結(jié)果表明,氨水后處理PANI修飾的陽(yáng)極提高電池性能的效果最好,最大輸出功率達(dá)5.58 m W/m2;脈沖電位法合成聚苯胺修飾陽(yáng)極的電池輸出功率密度最大,為9.93 m W/m2;聚苯胺與鐵化合物的復(fù)合物修飾陽(yáng)極能夠更好的提高電池性能,最大輸出功率密度達(dá)17.51 m W/m2,是空白對(duì)照組的8.11倍。由于泡沫鎳具有耐堿性以及好的電催化活性,因此本論文利用泡沫鎳作為陽(yáng)極材料,探究了PANI以及PANI-Mn修飾泡沫鎳陽(yáng)極在BMFC中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PANI對(duì)泡沫鎳陽(yáng)極的修飾不會(huì)對(duì)泡沫鎳本身的電極活性產(chǎn)生影響,在提高電池運(yùn)行穩(wěn)定性的同時(shí)也提高了最大輸出功率密度,達(dá)34.53 m W/m2。BMFC在外接負(fù)載條件下,PANI-Mn修飾泡沫鎳陽(yáng)極BMFC的平均電流密度以及平均功率密度輸出最高,分別為38.0 m A/m2和6.69 m W/m2,是PANI修飾泡沫鎳陽(yáng)極BMFC的1.1倍和1.2倍,提高了BMFC的電能輸出。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：TM911.45
【部分圖文】：

圖 1-1 海底微生物燃料電池結(jié)構(gòu)圖[8] 年，Schindler 等[11]用鉑電極跟參比電極測(cè)試近海底泥不同深度下實(shí)了近海沉積泥在氧化還原作用下可產(chǎn)生電勢(shì)的潛能。Mark E.N構(gòu)建 BMFC 裝置應(yīng)用于實(shí)海環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了從海底沉積泥中獲取的，圖 1-2 為其 BMFC 實(shí)驗(yàn)裝置圖。Leonard M. Tender 等[13]通過(guò)置并將其運(yùn)行在實(shí)海環(huán)境中，為氣象浮標(biāo)供電，證明 BMFC 可以的供電裝置，圖 1-3 為其構(gòu)建的 BMFC 實(shí)驗(yàn)裝置圖。Chadwick 等

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文、潮汐周期、壓力變化、水流變化、鹽度和電導(dǎo)率以及溶解氧的變化）可以很易地影響微生物生理并最終影響 BMFC 的性能，例如 Nielsen 等[15]觀察到電流蕩的頻率與潮汐抽水的頻率是一致的，漲潮到退潮海水導(dǎo)電性的變化使得MFC 的總電阻減少了 100 Ω。Donovan 等[16]開(kāi)發(fā)了一個(gè)電源管理系統(tǒng)，在此系中 BMFC 不需要損耗陽(yáng)極就可以提供充足的電能，即通過(guò)使用電容存儲(chǔ)電荷、壓比較器和直流電-直流電轉(zhuǎn)換器（DC-DC 轉(zhuǎn)換器）把電壓增高到 3.3 V（可為大多數(shù)固態(tài)裝置提供充足的電能）。Seok Won Hong 等[17]探究了沉積型 MFC電性能影響因素，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電池的外接負(fù)載、陰極液中的溶解氧含量等會(huì)影響 MFC 的產(chǎn)電量。Reimers C E 等[18]利用海水與底泥界面沉積泥應(yīng)用于海 BMFC，產(chǎn)生 0.7 V 開(kāi)路電壓，最大功率密度達(dá) 1.2 W/m2。An J 等[19]利用水中沉積泥作為陽(yáng)極泥，研究了陽(yáng)極泥下深度從 2 cm 到 10 cm 變化時(shí)對(duì)電池性影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：BMFC 的陽(yáng)極泥下深度越大，電池的最大輸出功率密度會(huì)增，但是相應(yīng)的電池的內(nèi)阻也越大，因此電池的內(nèi)阻能量消耗會(huì)增大。

圖 1-3 BMFC 實(shí)驗(yàn)裝置圖[13]究的深入，研究者們對(duì)微生物產(chǎn)電的機(jī)理及電子傳遞微生從電子供體（燃料）到電子受體（氧化劑）的能量流動(dòng)是系的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)最終電子受體可溶并可以透過(guò)細(xì)胞膜時(shí)，而固相化合物（如鐵、錳氧化物，或大分子化合物如腐殖時(shí)，細(xì)胞需要通過(guò)胞外電子傳遞獲得能量。在異化金屬還程中，首先對(duì)與細(xì)胞膜結(jié)合的電活性化合物與電活性表面行研究。已經(jīng)證明氧化還原活性蛋白，如細(xì)胞色素 c 和鐵胞外膜上并作為直接的電子穿梭通道將電子運(yùn)輸?shù)焦滔嚯娺f鏈中，這些蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)和集結(jié)已經(jīng)在希瓦氏菌和地桿Myers 等[20-22]對(duì)胞外電子傳遞到金屬化合物涉及的希瓦氏次探索，研究表明，通過(guò)一種特殊的細(xì)胞色素 c 使胞外電這種細(xì)胞色素 c 將電子從醌池傳遞到其他十亞鐵血紅素細(xì)地桿菌的胞外電子傳遞機(jī)制的研究采用的是對(duì)希瓦氏菌研l(wèi)iger 等[23]最初的研究說(shuō)明硫還原地桿菌在厭氧呼吸時(shí)細(xì)胞
【參考文獻(xiàn)】

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1 李魁忠;付玉彬;徐謙;趙仲凱;劉佳;;海底微生物燃料電池陽(yáng)極錳鹽改性及產(chǎn)電性能研究[J];材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用;2011年03期

本文編號(hào)：2879615