本文關鍵詞：用于農藥廢水處理的微生物燃料電池陰極催化劑及其產電性能的研究

  更多相關文章： 微生物燃料電池 廢水處理 摻雜 氧還原催化劑

【摘要】：微生物燃料電池(microbial fuel cells, MFCs)是一種利用污水中的微生物作為生物催化劑,降解廢水中的有機物,實現(xiàn)污染物降解的同時產生電能,可以將污水“變廢為寶”的裝置。MFCs作為一種新型的能源回收和水資源可持續(xù)發(fā)展方式受到人們越來越多的關注。但是目前由于受到陰極氧還原催化劑鉑/碳(Pt/C)價格昂貴,自然界存儲量少,長期穩(wěn)定性差,不易工業(yè)化擴大生產等問題的影響,MFCs的規(guī)模化實際應用受到嚴重阻礙。因此,研究高性能且成本低廉的氧還原催化劑對MFCs的實際應用有重要的理論和現(xiàn)實意義。本文以農藥廠廢水為MFCs的底物,在去除廢水中有機物的同時,回收電能。為提高MFC的產電性能,開發(fā)制備了兩種雜原子摻雜的空氣陰極催化劑,應用于單室空氣陰極微生物燃料電池中,并結合催化劑的形貌、微觀結構以及氧還原催化活性等參數(shù),探究雜原子摻雜對空氣陰極氧化還原反應(ORR)催化活性的影響,推動MFC在農藥廢水處理資源化、商業(yè)化的應用。本文的研究結果包括以下兩部分：(1)通過在氨氣氛圍中直接熱處理纖維素紙,成功制備了一種比表面積高達1294.9m~2/g的氮摻雜碳催化劑。電化學測試表明,氮摻雜的碳材料催化劑在中性條件下有很高的電催化活性,并且發(fā)現(xiàn)其在MFC中能得到1041±90 mM/m~2的最大功率密度,是同體系下的Pt/C的最大功率密度584±10 mM/m~2的兩倍。氮摻雜碳催化劑的材料學表征表明,氮原子的摻雜和熱處理獲得的大的比表面積,對ORR催化活性的提高具有重要作用。該法制備催化劑過程簡單,是一種易擴大生產的制備方法,對于MFC的放大具有重要意義。(2)在上一章的研究基礎之上,通過在氨氣氛圍中直接熱處理碳黑BP-2000和聚四氟乙烯(PTFE)的混合物制備了氮氟共摻雜碳催化劑(BP-NF)。BP-NF催化劑相比單一氮摻雜(BP-N)和單一氟摻雜(BP-F)催化劑具有更好的電催化活性,主要表現(xiàn)在高的起始點位和極限電流密度。氮和氟共摻雜碳材料獲得的高電催化活性,可歸功于雜原子間協(xié)同效應的影響。通過構建單室空氣陰極微生物燃料電池對各種陰極催化劑的產電性能進行研究,氮氟共摻雜的BP-NF得到672 mM/m~2的最大功率密度為和749 mV的開路電壓,要比商用Pt (572 mM/m~2,693 mV). BP-N (588 mM/m~2,655 mV)以及BP-F (524mM/m~2,645 mV)的最大功率密度和開路電壓都高。這種方法制備的氮氟共摻雜碳催化劑,原料已商業(yè)化生產,價格低廉。制備過程簡單,可按比例擴大生產,為以后制備高效微生物燃料電池的ORR催化劑提供了新方法。
【關鍵詞】：微生物燃料電池 廢水處理 摻雜 氧還原催化劑
【學位授予單位】：四川農業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X786;TM911.45
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-26
• 1.1 引言11-14
• 1.1.1 農藥廢水污染11-12
• 1.1.2 農藥廢水處理技術12-14
• 1.2 微生物燃料電池14-18
• 1.2.1 微生物燃料電池的工作原理14-15
• 1.2.2 微生物燃料電池的發(fā)展歷程15
• 1.2.3 微生物燃料電池基本構型15-16
• 1.2.4 微生物燃料電池陽極材料16-17
• 1.2.5 微生物燃料電池陰極材料17-18
• 1.3 微生物燃料電池空氣陰極18-19
• 1.3.1 陰極的反應18
• 1.3.2 空氣陰極的結構18-19
• 1.4 空氣陰極材料催化劑的研究進展19-23
• 1.4.1 金屬催化劑19-21
• 1.4.2 聚合物催化劑21
• 1.4.3 碳基催化劑21-23
• 1.5 本文的研究目的、主要內容、創(chuàng)新點23-26
• 1.5.1 研究目的23-24
• 1.5.2 主要內容24-25
• 1.5.3 主要創(chuàng)新點25-26
• 第二章 實驗方法和實驗材料26-34
• 2.1 引言26
• 2.2 實驗試劑和設備26-27
• 2.2.1 主要試劑和材料26
• 2.2.2 實驗設備26-27
• 2.3 電極制作27-29
• 2.3.1 陽極制作27-28
• 2.3.2 空氣陰極制備28-29
• 2.4 空氣陰極電化學測試29
• 2.5 微生物燃料電池的構建和啟動29-32
• 2.5.1 微生物燃料電池的構建29-30
• 2.5.2 微生物燃料電池的接種和營養(yǎng)基質30-31
• 2.5.3 微生物燃料電池的運行31-32
• 2.6 電池性能電化學分析32-33
• 2.6.1 時間-電壓曲線32
• 2.6.2 極化曲線和功率密度曲線32-33
• 2.7 催化劑的材料學表征方法33-34
• 2.7.1 掃描電子顯微鏡(TEM)33
• 2.7.2 X射線衍射(XRD)33
• 2.7.3 X射線光電子能譜(XPS)33
• 2.7.4 比表面積(BET)及孔徑分布33-34
• 第三章 高效低成本氮摻雜碳材料催化劑的合成及在MFC中的應用研究34-43
• 3.1 引言34-35
• 3.2 催化劑和空氣陰極的制備35-36
• 3.3 空氣陰極的電化學性能36-37
• 3.4 微生物燃料電池電化學性能測試37-39
• 3.4.1 微生物燃料電池的電壓輸出37-38
• 3.4.2 MFC的功率密度曲線和極化曲線38-39
• 3.5 催化劑的相關表征39-41
• 3.5.1 XRD分析39
• 3.5.2 TEM掃描39-40
• 3.5.3 XPS表征40-41
• 3.6 比表面積和孔徑分布分析41-42
• 3.7 本章小結42-43
• 第四章 氮氟共摻雜碳材料催化劑的合成及在MFC中的應用研究43-53
• 4.1 引言43
• 4.2 催化劑和空氣陰極的制備43-44
• 4.3 空氣陰極的電化學性能44-46
• 4.4 各電池功率密度曲線和極化曲線的分析46-47
• 4.5 催化劑的相關表征47-51
• 4.5.1 TEM掃描47-48
• 4.5.2 比表面積和孔徑分布分析48-50
• 4.5.3 XPS分析50-51
• 4.6 本章小結51-53
• 第五章 總結和展望53-55
• 5.1 總結53-54
• 5.2 展望54
• 5.3 下一步工作計劃54-55
• 參考文獻55-63
• 致謝63-64
• 攻讀學位期間所發(fā)表的學術論文64-65
• 附錄65-66

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 連靜;馮雅麗;李浩然;劉志丹;周良;;直接微生物燃料電池的構建及初步研究[J];過程工程學報;2006年03期

2 關毅;張鑫;;微生物燃料電池[J];化學進展;2007年01期

3 洪義國;郭俊;孫國萍;;產電微生物及微生物燃料電池最新研究進展[J];微生物學報;2007年01期

4 丁平;邵海波;劉光洲;段東霞;麻挺;陳嗣俊;王建明;張鑒清;;應用需鹽脫硫弧菌的微生物燃料電池發(fā)電研究(英文)[J];電化學;2007年02期

5 園丁;;微生物燃料電池:既處理污水又發(fā)電[J];污染防治技術;2007年03期

6 劉登;劉均洪;劉海洲;;微生物燃料電池的研究進展[J];化學工業(yè)與工程技術;2007年05期

7 張廣柱;劉均洪;;微生物燃料電池研究和應用方面的最新進展[J];化學工業(yè)與工程技術;2008年04期

8 孫健;胡勇有;;廢水處理新理念——微生物燃料電池技術研究進展[J];工業(yè)用水與廢水;2008年01期

9 王萬成;陶冠紅;;微生物燃料電池運行條件的優(yōu)化[J];環(huán)境化學;2008年04期

10 ;微生物燃料電池或成汽車節(jié)能環(huán)保解決方案[J];材料導報;2008年07期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 顧忠澤;吳文果;;微生物燃料電池的研究[A];中國化學會第27屆學術年會第05分會場摘要集[C];2010年

2 趙峰;;來自廢水的能量-微生物燃料電池[A];2010年海峽兩岸環(huán)境與能源研討會摘要集[C];2010年

3 李正龍;劉紅;孔令才;韓梅;;可利用空間基地有機廢物的微生物燃料電池預研[A];中國空間科學學會第16屆空間生命學術研討會論文摘要集[C];2005年

4 孫健;;廢水處理新理念——微生物燃料電池技術研究進展[A];節(jié)能環(huán)保 和諧發(fā)展——2007中國科協(xié)年會論文集（一）[C];2007年

5 趙峰;;微生物燃料電池的電子傳遞及電極反應研究[A];廣東省科協(xié)資助學術會議總結材料[C];2010年

6 付玉彬;;海底微生物燃料電池研究和應用[A];廣東省科協(xié)資助學術會議總結材料[C];2010年

7 孔曉英;李連華;李穎;楊改秀;孫永明;;葡萄糖濃度對微生物燃料電池產電性能的影響[A];廣東省科協(xié)資助學術會議總結材料[C];2010年

8 袁勇;莊莉;周順桂;;盤管式微生物燃料電池的構建及其應用[A];廣東省科協(xié)資助學術會議總結材料[C];2010年

9 喻玉立;袁用波;胡忠;;產電菌的選育及其在微生物燃料電池中的應用[A];廣東省科協(xié)資助學術會議總結材料[C];2010年

10 陳禧;王煒;彭香琴;劉宇波;幸毅明;;微生物燃料電池結構與材料研究進展[A];2013中國環(huán)境科學學會學術年會論文集（第八卷）[C];2013年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 ;微生物燃料電池處理污水發(fā)電兩不誤[N];中國環(huán)境報;2005年

2 記者 符王潤 通訊員 曾曉舵 李潔尉 劉靜;微生物燃料電池有很大挖掘空間[N];廣東科技報;2010年

3 蕭瀟;微生物燃料電池：處理污水發(fā)電兩不誤[N];中國煤炭報;2005年

4 記者　毛黎;微生物燃料電池技術又推進一步[N];科技日報;2006年

5 紀振宇;微生物燃料電池為汽車節(jié)能環(huán)保提供解決方案[N];中國高新技術產業(yè)導報;2008年

6 本報記者 趙亞平;蝦兵蟹將派上新用場[N];科技日報;2007年

7 張芮;希臘從芝士副產品中回收能源[N];中國石化報;2010年

8 常麗君;高空“超級細菌”可成發(fā)電新能源[N];科技日報;2012年

9 編譯 楊孝文;微生物機器人吃蒼蠅發(fā)電[N];北京科技報;2006年

10 記者 陳勇;美科學家開發(fā)出微生物燃料電池[N];新華每日電訊;2005年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 黃杰勛;產電微生物菌種的篩選及其在微生物燃料電池中的應用研究[D];中國科學技術大學;2009年

2 陶琴琴;微生物燃料電池同步脫氮除磷及產電性能研究[D];華南理工大學;2015年

3 徐磊;微生物燃料電池PB/rGO陰極材料及導電膜自清潔性能研究[D];大連理工大學;2015年

4 臧國龍;基于微生物燃料電池的復雜廢棄物處置及光電催化制氫[D];中國科學技術大學;2013年

5 代瑩;銀/鐵—碳基復合體作為微生物燃料電池陰極的性能研究[D];黑龍江大學;2016年

6 龔小波;微生物燃料電池高效電極與界面設計強化產電特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

7 孫哲;光催化型微生物燃料電池產電特性及對污染物去除研究[D];東華大學;2016年

8 程建萍;微生物燃料電池陰極的功能拓展及機理分析[D];合肥工業(yè)大學;2015年

9 孫彩玉;基于BES污水處理—產能研究及微生物群落結構解析[D];東北林業(yè)大學;2016年

10 杜月;生物陰極微生物燃料電池特性及其與光催化耦合模式的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張鑫;復合微生物燃料電池的研究[D];天津大學;2007年

2 周秀秀;微生物燃料電池陰極催化劑雙核酞菁鈷的結構及性能優(yōu)化[D];華南理工大學;2015年

3 黃麗巧;基于微生物燃料電池技術的同步除碳、硝化/反硝化研究[D];華南理工大學;2015年

4 印霞h，

本文編號：1048256