本文關(guān)鍵詞：空氣陰極微生物燃料電池復(fù)合催化劑的制備與性能研究

  更多相關(guān)文章： 復(fù)合催化劑 MnO2 空氣陰極 泡沫鎳陰極 微生物燃料電池

【摘要】：微生物燃料電池(Microbial full cells,MFC)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物的化學(xué)能向電能之間的直接轉(zhuǎn)換,而空氣陰極微生物燃料電池是最有望大規(guī)模應(yīng)用的基本構(gòu)型之一�？諝怅帢O催化劑性能及各部分材料價(jià)格是制約空氣陰極MFC產(chǎn)電效率和經(jīng)濟(jì)性能的重要因素。針對這一問題,本文研究了不同復(fù)合方式和復(fù)合比例的復(fù)合催化劑對空氣陰極性能的影響和空氣陰極材料與制備工藝的優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上,對整個(gè)空氣陰極的材料及制作方法進(jìn)一步優(yōu)化,在降低空氣陰極成本的同時(shí)使MFC的功率輸出達(dá)到較高的水平,為日后廉價(jià)催化劑的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。本文利用化學(xué)方法和機(jī)械混合法制備得到復(fù)合比為1:3、1:1和3:1的MnO2和活性炭的復(fù)合催化劑。用X射線晶體衍射分析(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散X射線分析法(EDX)和BET比表面及孔分布測試對催化劑進(jìn)行了表征。而在此基礎(chǔ)上,利用線性掃描伏安法(LSV)和交流阻抗譜法(EIS)對使用不同復(fù)合比例的催化劑所制作的空氣陰極的電化學(xué)性能進(jìn)行了測試。最后將制備的空氣陰極用于MFC中,實(shí)驗(yàn)研究了其對空氣陰極MFC產(chǎn)電性能的影響。對復(fù)合催化劑的研究表明:催化劑的復(fù)合方式和復(fù)合比例對空氣陰極性能均有較大的影響。化學(xué)復(fù)合催化劑MFC的最大功率密度為336 mW/m2,大于機(jī)械混合催化劑的功率密度312.5 mW/m2。而且二者的最大功率密度所對應(yīng)的復(fù)合比例均為1:1。實(shí)驗(yàn)還表明,在三種復(fù)合比例條件下,化學(xué)法制備的復(fù)合催化劑的性能優(yōu)于機(jī)械混合催化劑。MFC的性能會隨著空氣陰極負(fù)載催化劑復(fù)合比例的不同而不同:復(fù)合比例為1:3時(shí)產(chǎn)電性能最低;隨著MnO2含量增加,1:1時(shí)性能最好;繼續(xù)增加至3:1時(shí),MFC性能反而下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,使用復(fù)合催化劑的MFC的最大輸出功率是非復(fù)合催化劑(MnO2粉末和活性炭)的兩倍以上,復(fù)合催化劑的催化性能具有較大的提升。而且復(fù)合催化劑的成本較低,是可行的空氣陰極MFC催化劑方案。對空氣陰極的材料及制備工藝的優(yōu)化包括:(1)簡化了催化劑制備方法,即使用活性炭直接還原KMnO4制備復(fù)合催化劑;(2)采用了價(jià)格較低的陰極材料,空氣陰極使用泡沫鎳作為集電體,粘結(jié)劑和擴(kuò)散層分別使用聚四氟乙烯(PTFE)和聚二甲基硅氧烷(PDMS);(3)減少了陰極制作步驟,催化層采用直接將催化層滾壓在泡沫鎳上的方法,擴(kuò)散層使用PDMS作為材料只需涂覆兩層。優(yōu)化后的空氣陰極用于MFC中的運(yùn)行結(jié)果表明,反應(yīng)物KMnO4與活性炭比為1:3時(shí),達(dá)到最大功率密度321.2mW/m2,比負(fù)載活性炭的MFC的效率提高約20%。隨著MnO2含量的增加,最大功率密度逐漸下降。催化劑控制在一定的復(fù)合比例時(shí),可以保證較高的功率輸出,有助于空氣陰極MFC的規(guī)�；瘧�(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：復(fù)合催化劑 MnO2 空氣陰極 泡沫鎳陰極 微生物燃料電池
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM911.45;O643.36
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-24
• 1.1 背景及意義12-13
• 1.2 微生物燃料電池簡介13-15
• 1.2.1 微生物燃料電池的研究及進(jìn)展13
• 1.2.2 微生物燃料電池的基本工作原理13-14
• 1.2.3 微生物燃料電池的基本特點(diǎn)14-15
• 1.3 空氣陰極燃料電池的研究進(jìn)展15-22
• 1.3.1 空氣陰極MFC的構(gòu)型15-17
• 1.3.2 陰極研究的重要性17
• 1.3.3 空氣陰極催化劑17-21
• 1.3.4 空氣陰極集電體21
• 1.3.5 空氣陰極粘結(jié)劑及擴(kuò)散層21-22
• 1.4 研究目的及內(nèi)容22-24
• 第2章 微生物燃料電池的構(gòu)建及性能評價(jià)方法24-36
• 2.1 催化劑的制備及表征方法24-26
• 2.1.1 催化劑的制備24
• 2.1.2 X射線晶體衍射分析（XRD）24-25
• 2.1.3 掃描電子顯微鏡（SEM）25
• 2.1.4 能量色散X射線分析法（EDX）25
• 2.1.5 比表面及孔分布特性25-26
• 2.2 微生物燃料電池構(gòu)建26-29
• 2.2.1 陽極的制備26
• 2.2.2 陰極的制備26-27
• 2.2.3 反應(yīng)器的組裝27-29
• 2.2.4 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器29
• 2.3 MFC的啟動(dòng)及運(yùn)行29-31
• 2.3.1 反應(yīng)器外電路30
• 2.3.2 陽極接種30-31
• 2.3.3 反應(yīng)器的啟動(dòng)31
• 2.3.4 反應(yīng)器的運(yùn)行31
• 2.4 數(shù)據(jù)采集及分析方法31-34
• 2.4.1 電壓數(shù)據(jù)采集31
• 2.4.2 線性掃描伏安法（LSV）31-32
• 2.4.3 極化曲線32
• 2.4.4 功率密度曲線32-33
• 2.4.5 開路電壓33
• 2.4.6 交流阻抗譜法（EIS）33-34
• 2.4.7 MFC性能測試儀器34
• 2.5 本章小結(jié)34-36
• 第3章 空氣陰極微生物燃料電池運(yùn)行參數(shù)的確定36-44
• 3.1 陽極材料對MFC性能的影響37-40
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)38
• 3.1.2 運(yùn)行電壓曲線38
• 3.1.3 功率密度曲線38-40
• 3.2 電極間距對MFC性能的影響40-42
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)40
• 3.2.2 運(yùn)行電壓曲線40
• 3.2.3 功率密度曲線40-42
• 3.3 本章小結(jié)42-44
• 第4章 復(fù)合催化劑空氣陰極微生物燃料電池的性能44-64
• 4.1 復(fù)合催化劑的制備及表征44-48
• 4.1.1 復(fù)合催化劑的制備方法44-45
• 4.1.2 復(fù)合催化劑的XRD分析45-46
• 4.1.3 復(fù)合催化劑的SEM分析46-48
• 4.2 復(fù)合催化劑微生物燃料電池的性能48-62
• 4.2.1 復(fù)合催化劑對陰極性能的影響48-49
• 4.2.2 復(fù)合催化劑對MFC產(chǎn)電性能的影響49-53
• 4.2.3 復(fù)合催化劑陰極的阻抗譜及內(nèi)阻分析53-62
• 4.3 本章小結(jié)62-64
• 第5章 泡沫鎳空氣陰極微生物燃料電池的性能64-78
• 5.1 復(fù)合催化劑的制備及表征64-69
• 5.1.1 復(fù)合催化劑的制備方法64-65
• 5.1.2 復(fù)合催化劑的XRD分析65
• 5.1.3 復(fù)合催化劑的EDX分析65-66
• 5.1.4 復(fù)合催化劑的SEM分析66-68
• 5.1.5 復(fù)合催化劑的比表面及孔分布特性分析68-69
• 5.2 泡沫鎳空氣陰極的制備及性能69-71
• 5.2.1 泡沫鎳空氣陰極的制備方法69-70
• 5.2.2 復(fù)合催化劑對泡沫鎳空氣陰極性能的影響70-71
• 5.3 泡沫鎳空氣陰極微生物燃料電池的性能71-75
• 5.3.1 復(fù)合催化劑對MFC產(chǎn)電性能的影響72-74
• 5.3.2 陰極表面生物膜生長情況74-75
• 5.4 本章小結(jié)75-78
• 結(jié)論與展望78-80
• 參考文獻(xiàn)80-86
• 攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文86-88
• 致謝88

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