本文關(guān)鍵詞：聚吡咯改性復(fù)合陽(yáng)極在海底微生物燃料電池中的應(yīng)用及機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：能源短缺和環(huán)境污染是當(dāng)今世界面臨的兩大難題,尋找可再生能源是解決問(wèn)題的必然選擇。微生物燃料電池(MFC)是一種利用微生物分解廢水和其他有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生電能的裝置。由于原料來(lái)源廣泛、清潔無(wú)污染、成本低等優(yōu)點(diǎn),MFC有很好的應(yīng)用前景。海底微生物燃料電池(BMFC)是MFC的一種類型,其陽(yáng)極在海底沉積層中,陰極在海水中。海泥中的微生物產(chǎn)生電子由陽(yáng)極通過(guò)外電路傳到陰極,電子和陰極處的氧氣、氫離子發(fā)生還原反應(yīng),形成回路產(chǎn)生電流。海底沉積物中含有豐富的有機(jī)質(zhì),海水中溶有的氧氣也在不斷的補(bǔ)充和更新中,因此BMFC可以給低功率海洋探測(cè)儀器提供可持續(xù)的電源。但目前BMFC的低輸出功率限制了其實(shí)際應(yīng)用,而陽(yáng)極是限制輸出功率的重要因素。陽(yáng)極改性可以顯著提高電池輸出功率,為此我們利用聚吡咯/碳納米管復(fù)合材料及二氧化錳/聚吡咯復(fù)合材料作為海底微生物燃料電池陽(yáng)極。從極化、電容、陽(yáng)極表面與微生物之間的電子傳遞等方面探究了BMFC輸出功率及其他電化學(xué)性能的影響因素。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：(1)以十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)為摻雜劑,氯化高鐵為氧化劑,采用化學(xué)氧化法制備了聚吡咯/多壁碳納米管(PPy/MWCNTs)復(fù)合材料,并以該復(fù)合材料制備海底微生物燃料電池的陽(yáng)極,測(cè)試了改性陽(yáng)極及電池的電化學(xué)性能。研究表明：聚吡咯緊密包裹在MWCNTs表面,改性陽(yáng)極最大交換電流密度0.66mA/cm2,是未改性的3.6倍。PPy/MWCNTs陽(yáng)極接觸角降低到60°左右,親水性提高,更加利于細(xì)菌的附著。改性電池的最大功率密度為408.8 mW/m2,是未改性電池的5倍多,電池整體性能明顯提高。循環(huán)伏安測(cè)試表明改性電極的電容是贗電容和雙電層電容協(xié)同作用的結(jié)果,顯著提高了電子傳遞效率和抗極化性能。本文還提出了一種陽(yáng)極/生物膜界面電子傳遞的新機(jī)理。(2)以一水合硫酸錳和吡咯為主要原料,高錳酸鉀和氯化高鐵為氧化劑,采用化學(xué)原位法合成MnO2/PPy復(fù)合材料。利用掃描電子顯微鏡、紅外光譜測(cè)試了其表面形貌和性質(zhì),結(jié)果顯示MnO2/PPy復(fù)合材料為無(wú)固定形狀。通過(guò)循環(huán)伏安、線性掃描伏安測(cè)試表明,MnO2/PPy復(fù)合材料具有典型的電容特征,電容較未改性電極提高了3.1倍,是PPy電極的2.5倍。改性復(fù)合陽(yáng)極接觸角減低至46°,電池內(nèi)阻降低到300Ω,減小了電子的傳遞阻力。電極和電池的電化學(xué)測(cè)試表明,MnO2/PPy改性電池最大功率密度達(dá)到592.7 mW/m2,是未改性的2.2倍。文中推測(cè)了MnO2/PPy的合成機(jī)理,分析了復(fù)合材料對(duì)BMFC性能的影響。
【關(guān)鍵詞】：海底微生物燃料電池 聚吡咯 多壁碳納米管 二氧化錳 改性陽(yáng)極 電化學(xué)性能
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM911.45
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-24
• 1.1 能源背景12-13
• 1.2 微生物燃料電池13-17
• 1.2.1 微生物燃料電池概念和原理13-14
• 1.2.2 微生物燃料電池常用材料14-16
• 1.2.2.1 陽(yáng)極材料15-16
• 1.2.2.2 陰極材料16
• 1.2.3 微生物燃料電池的應(yīng)用16-17
• 1.3 海底微生物燃料電池17-19
• 1.3.1 基本原理17
• 1.3.2 BMFC性能的影響因素17
• 1.3.3 BMFC陽(yáng)極17-18
• 1.3.4 BMFC的優(yōu)點(diǎn)18
• 1.3.5 BMFC的應(yīng)用實(shí)例18-19
• 1.4 導(dǎo)電高分子復(fù)合材料19-22
• 1.4.1 導(dǎo)電高分子的基本概念19-20
• 1.4.2 導(dǎo)電高分子類型和導(dǎo)電過(guò)程機(jī)理20-21
• 1.4.3 導(dǎo)電高分子的摻雜21
• 1.4.4 碳納米管導(dǎo)電復(fù)合材料21-22
• 1.4.5 導(dǎo)電高分子的應(yīng)用進(jìn)展22
• 1.5 本課題的研究?jī)?nèi)容及選題意義22-24
• 2 實(shí)驗(yàn)材料和測(cè)試方法24-29
• 2.1 實(shí)驗(yàn)藥品和材料24
• 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備24-25
• 2.3 BMFCs性能測(cè)試表征方法25-29
• 2.3.1 掃描電子顯微鏡測(cè)試25
• 2.3.2 紅外光譜測(cè)試25-26
• 2.3.3 電極表面潤(rùn)濕性測(cè)試26
• 2.3.4 極化曲線和塔菲爾曲線26-27
• 2.3.5 線性掃描伏安曲線27
• 2.3.6 電極電位和輸出電壓27
• 2.3.7 電池功率密度和循環(huán)伏安法27-28
• 2.3.8 電池內(nèi)阻的測(cè)定方法28-29
• 3 PPy/MWCNTs改性復(fù)合陽(yáng)極在BMFCs中的應(yīng)用研究29-42
• 3.1 引言29-30
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分30-32
• 3.2.1 多壁碳納米管的羧基化處理30
• 3.2.2 PPy和PPy/MWCNTs復(fù)合材料的制備30-31
• 3.2.3 電極制備及BMFC的構(gòu)建31-32
• 3.2.4 測(cè)試研究方法32
• 3.3 結(jié)果與討論32-41
• 3.3.1 陽(yáng)極材料的結(jié)構(gòu)表征和分析32-35
• 3.3.1.1 掃描電鏡測(cè)試32-33
• 3.3.1.2 紅外圖譜33-34
• 3.3.1.3 潤(rùn)濕性測(cè)試34-35
• 3.3.2 陽(yáng)極電化學(xué)性能測(cè)試35-38
• 3.3.2.1 極化曲線35-36
• 3.3.2.2 循環(huán)伏安曲線36-38
• 3.3.2.3 塔菲爾曲線38
• 3.3.3 電池性能38-40
• 3.3.3.1 電池功率密度曲線38-39
• 3.3.3.2 電池長(zhǎng)期放電曲線39-40
• 3.3.4 機(jī)理分析40-41
• 3.4 本章小結(jié)41-42
• 4 MnO_2/PPy改性復(fù)合陽(yáng)極在BMFCs中的應(yīng)用研究42-55
• 4.1 引言42-43
• 4.2 實(shí)驗(yàn)43-45
• 4.2.1 MnO_2/PPy復(fù)合材料的制備43
• 4.2.2 電極制備和BMFC構(gòu)建43-44
• 4.2.3 測(cè)試與表征44-45
• 4.3 結(jié)果與討論45-54
• 4.3.1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和表面性能45-47
• 4.3.1.1 紅外光譜45-46
• 4.3.1.2 SEM測(cè)試46
• 4.3.1.3 陽(yáng)極潤(rùn)濕性測(cè)試46-47
• 4.3.2 改性陽(yáng)極電化學(xué)性能47-51
• 4.3.2.1 陽(yáng)極極化曲線47-48
• 4.3.2.2 循環(huán)伏安測(cè)試48-49
• 4.3.2.3 線性掃描伏安測(cè)試49-50
• 4.3.2.4 塔菲爾曲線50-51
• 4.3.2.5 陽(yáng)極表面微生物分析51
• 4.3.3 電池性能和內(nèi)阻51-52
• 4.3.4 機(jī)理分析和討論52-54
• 4.3.4.1 MnO_2/PPy復(fù)合材料聚合機(jī)理52-53
• 4.3.4.2 MnO_2/PPy陽(yáng)極電子傳遞機(jī)制53-54
• 4.4 本章小結(jié)54-55
• 5 結(jié)論55-57
• 5.1 本論文主要結(jié)論55-56
• 5.2 本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)56
• 5.3 有待進(jìn)一步開(kāi)展研究的工作56-57
• 參考文獻(xiàn)57-63
• 致謝63-64
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷64
• 碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文64

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