微生物燃料電池是一種處理廢水同時產(chǎn)生電能的新型裝置,陽極作為微生物燃料電池的重要組件極大地影響電池性能。針對微生物燃料電池傳統(tǒng)三維電極結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致電極內(nèi)部物質(zhì)傳輸受限,電池功率密度較低的問題,本文采用3D打印技術(shù)并碳化的方式構(gòu)建了結(jié)構(gòu)可控的微生物燃料電池陽極,通過熱重分析得到合適的碳化條件,并通過進(jìn)一步的電化學(xué)分析和電極微觀形貌拍攝研究了電極內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)對微生物生長情況和電池性能的影響。實驗結(jié)果表明:電極孔徑尺寸為0.4mm時,電池具有最優(yōu)性能,其最大功率密度達(dá)12.85W/m2,比采用碳布陽極的MFC提升10倍,較采用碳?xì)株枠O的燃料電池高38%;具有可控孔道結(jié)構(gòu)電極的傳荷阻抗和傳質(zhì)阻抗是限制電極性能的主要因素,通過優(yōu)化孔道尺寸和結(jié)構(gòu)分布可降低其傳荷及傳質(zhì)阻抗,可以進(jìn)一步提升電池性能。 

【文章來源】：化工進(jìn)展. 2020,39(10)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

MFC工作原理示意圖

對MFC進(jìn)行啟動：向陽極腔室接種250m L含有產(chǎn)電菌的菌懸液（50m L）、培養(yǎng)基和磷酸鹽緩沖溶液（PBS）作為陽極液，并向陰極腔室注入250m L已知濃度的鐵氰化鉀和PBS的混合溶液作為陰極液。其中，陽極培養(yǎng)基的成分為有機底物（CH3COONa·3H2O2,COD含量為1500mg/L）、微量元素以及亞微量元素，PBS溶液成分為Na2HPO4·12H2O和KH2PO4，濃度為50mmol/L。陰極液的成分為50mmol/L PBS溶液和50mmol/L鐵氰化鉀的混合溶液。在MFC啟動過程中，陽極腔室內(nèi)進(jìn)行磁力攪拌，轉(zhuǎn)速為200r/min，并使MFC在50Ω的外接負(fù)載下運行。待電池的產(chǎn)電電流下降至峰值電流的10%以下時，將MFC更換新鮮的陽極液和陰極液，直到連續(xù)幾次換液后電池的最大電流不再上升，即表明陽極生物膜掛膜成功，電池啟動完成。啟動階段電池電壓及電極電位均由數(shù)據(jù)采集器（34970A,Agilent,，加利福尼亞州，美國）進(jìn)行記錄。所有實驗步驟均在溫度為30℃±1℃的恒溫室中進(jìn)行。1.3 電池性能測試

熱重曲線表明，電極碳化熱解過程主要分3個階段。在室溫到380℃這一階段，電極質(zhì)量隨溫度升高緩慢下降，電極結(jié)構(gòu)受溫度變化影響較小，因此在該碳化階段可以設(shè)置較高的升溫速率(3℃/min)。在380～440℃這一階段，電極質(zhì)量隨溫度升高迅速縮減80%，電極結(jié)構(gòu)急劇變化。因此該階段升溫速率的設(shè)置很大程度上決定了電極能否保持原有形貌結(jié)構(gòu)，而較高的升溫速率容易造成電極塌陷，因此在碳化過程中該溫度梯度的升溫速率設(shè)為0.2℃/min。在440～800℃這一階段，電極質(zhì)量幾乎不隨溫度升高變化，因此該階段可以提升升溫速率至3℃/min。圖4(a)示出了碳化前后3D打印電極的對比情況，如圖所示，碳化后電極的邊長與未碳化的比值為1.03±0.01。圖4(b)示出了碳化后3D打印電極內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)形貌，可以觀測到碳化后的電極內(nèi)部具有均勻規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，且孔道平均尺寸也縮為原來的0.5±0.08（碳化前孔道尺寸為0.6mm，碳化后孔道尺寸為0.3mm±0.05mm），表明此電極制作方式具有尺寸精確可控的特點。圖4 碳化電極形貌圖

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]陽極電極電解處理對微生物燃料電池性能影響[J]. 張軍,李俊,葉丁丁,朱恂,廖強.  工程熱物理學(xué)報. 2014(06)
[2]石墨烯修飾微生物燃料電池陽極的研究[J]. 侯俊先,劉中良,張培遠(yuǎn).  工程熱物理學(xué)報. 2013(07)
[3]PEDOT/MWCNTs復(fù)合陽極的制備及在MFC中的應(yīng)用[J]. 劉興倩,王許云,郭慶杰.  化工學(xué)報. 2013(05)
[4]微生物燃料電池陽極特性對產(chǎn)電性能的影響[J]. 黃霞,范明志,梁鵬,曹效鑫.  中國給水排水. 2007(03)



本文編號：3322558