收藏本站
《哈尔滨工业大学》 2016年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

微生物燃料电池高效电极与界面设计强化产电特性研究

龚小波  
【摘要】:能源短缺与环境污染问题日趋严重,微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)能够利用微生物催化降解有机物产生电能,实现污水处理并同步产电,为水污染问题和能源危机问题的解决提供了新的思路。然而,微生物燃料电池较低的输出功率密度限制了其实际应用。在微生物燃料电池阴极,氧气由于具有方便易得和绿色无污染的特点,是理想的阴极电子受体。但是在氧还原过程中,其还原反应速率低,因此需要高效的催化剂来提高反应速率和阴极性能。此外,微生物燃料电池阳极上的电子转移速率以及微生物吸附量对电池的功率密度输出具有重要的影响,因此,提高阳极性能有利于促进MFC功率密度的输出。针对微生物燃料电池目前存在的一些主要问题,本论文从电极材料和界面出发,以廉价的不锈钢网为空气阴极的电子集流体,开发高效廉价的复合纳米催化剂和三维氧还原催化剂,通过优化粘结剂和改进空气阴极结构对空气三相界面进行调控,提高阴极性能;构建三维赝电容性阳极,增加阳极生物附着量,并提高电子转移效率,进而提高微生物燃料电池的功率密度和产电性能。论文取得的研究成果概括如下:本论文首先在阴极三相界面催化剂研究中,合成了廉价高效的Ag-WC/C氧还原催化剂,基于Ag和WC之间的协同作用,Ag-WC/C能够产生与Pt/C催化剂相当的ORR活性和稳定性,其催化ORR为间接4电子途径。在MFC中,Ag-WC/C能够产生与Pt/C非常接近的最大功率密度,说明该复合纳米催化剂能够取代传统Pt/C用于MFC产电。在此基础上,以金属有机框架为前驱物,通过热解的方法得到了三维多孔的Co NC催化剂。实验结果分析表明,Co NC的电催化活性受到热解温度、比表面积、掺氮量以及氮元素形态的影响。Co NC具有大的比表面积和微孔面积,有利于增加三相界面有效催化位点的数量,加速质子和氧在其表面的传递。研究发现,吡啶N和石墨化N能够增加催化剂活性位点(Co-Nx)数量并增强催化剂的导电性。热解温度900°C制得的Co NC催化剂应用于单室MFC中,电池最大输出功率密度为1665 m W/m2,较使用Pt/C催化剂的MFC提高了39.8%,且三维多孔催化剂Co NC具有更好的电化学稳定性。其次,在MFC三相界面调控研究中,以廉价不锈钢网取代了传统碳布为空气阴极的电子集流体,制作单位面积的不锈钢网阴极的总造价仅为碳布阴极总造价的61%。气体扩散电极的导电性、气体扩散性能以及电催化氧还原的特性与聚四氟乙烯(PTFE)的百分含量有关,研究结果表明最优PTFE质量分数为20%。不锈钢网阴极MFC具有与碳布阴极MFC相当的最大功率密度,化学需氧量(COD)去除率和库仑效率。因此使用不锈钢网作为电子集流体能够在保证MFC性能的前提下明显降低阴极造价。然后,以乙二胺四乙酸(EDTA)替代Nafion试剂作为粘结剂,构建空气阴极,电化学测试结果表明,EDTA粘结剂能够增强界面质子传导作用,降低电荷转移阻力和传质阻力,其构建的空气阴极具有更好的稳定性能。EDTA与Nafion试剂分别构建的空气阴极应用于MFC中,实验结果得出,使用EDTA作为粘结剂,构建的空气阴极较Nafion试剂构建的空气阴极,电池的最大输出功率密度提高了42%。在此基础上,通过在不锈钢网基体上直接生长Co_3O_4颗粒,构建了新型的一体三维空气阴极,避免粘结剂的使用。电化学测试结果表明,SSM/Co_3O_4气体扩散电极具有与Pt/C催化剂相当的ORR活性和更好的稳定性。同时,研究发现,在Co_3O_4催化剂表面,氧主要通过4电子还原途径还原,产物为水。在MFC中,SSM/Co_3O_4气体扩散电极具有较高的ORR活性,电池具有与贵金属Pt/C电极MFC相当的最大功率密度,为17.8 W/m3;MFC周期运行45天,电池的最大输出电压仅降低1.6%,表明SSM/Co_3O_4气体扩散电极具有良好的稳定性。同时,在阴极界面研究的基础上,构建了三维电容性Mn O_2/碳纸阳极(CPMn O_2),其三维结构和赝电容特性可有效缩短电池的启动时间,并提高MFC的阳极性能和产电能力。随着碳纸阳极上Mn O_2生长时间的增加,Mn O_2的电容也相应增加,MFC的输出功率密度随着CP-Mn O_2的电容的逐渐增加而增加。24 h生长时间的CP-Mn O_2阳极MFC具有最大的功率密度输出(603.7 m W/m2),是CP阳极MFC(67.2 m W/m2)的8.98倍。测试分析表明,Mn O_2/碳纸阳极性能的提高主要原因有:一方面,三维结构增大了其比表面积,利于生物附着,增加了阳极产电微生物的生物量;另一方面,Mn O_2具有赝电容特性,通过Mn3+与Mn4+的氧化还原反应过程促进了阳极电子转移效率,提高了阳极性能,进而增强MFC的产电能力。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM911.45

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 连静;冯雅丽;李浩然;刘志丹;周良;;直接微生物燃料电池的构建及初步研究[J];过程工程学报;2006年03期
2 关毅;张鑫;;微生物燃料电池[J];化学进展;2007年01期
3 洪义国;郭俊;孙国萍;;产电微生物及微生物燃料电池最新研究进展[J];微生物学报;2007年01期
4 丁平;邵海波;刘光洲;段东霞;麻挺;陈嗣俊;王建明;张鉴清;;应用需盐脱硫弧菌的微生物燃料电池发电研究(英文)[J];电化学;2007年02期
5 园丁;;微生物燃料电池:既处理污水又发电[J];污染防治技术;2007年03期
6 刘登;刘均洪;刘海洲;;微生物燃料电池的研究进展[J];化学工业与工程技术;2007年05期
7 张广柱;刘均洪;;微生物燃料电池研究和应用方面的最新进展[J];化学工业与工程技术;2008年04期
8 孙健;胡勇有;;废水处理新理念——微生物燃料电池技术研究进展[J];工业用水与废水;2008年01期
9 王万成;陶冠红;;微生物燃料电池运行条件的优化[J];环境化学;2008年04期
10 ;微生物燃料电池或成汽车节能环保解决方案[J];材料导报;2008年07期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 顾忠泽;吴文果;;微生物燃料电池的研究[A];中国化学会第27届学术年会第05分会场摘要集[C];2010年
2 赵峰;;来自废水的能量-微生物燃料电池[A];2010年海峡两岸环境与能源研讨会摘要集[C];2010年
3 李正龙;刘红;孔令才;韩梅;;可利用空间基地有机废物的微生物燃料电池预研[A];中国空间科学学会第16届空间生命学术研讨会论文摘要集[C];2005年
4 孙健;;废水处理新理念——微生物燃料电池技术研究进展[A];节能环保 和谐发展——2007中国科协年会论文集(一)[C];2007年
5 赵峰;;微生物燃料电池的电子传递及电极反应研究[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年
6 付玉彬;;海底微生物燃料电池研究和应用[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年
7 孔晓英;李连华;李颖;杨改秀;孙永明;;葡萄糖浓度对微生物燃料电池产电性能的影响[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年
8 袁勇;庄莉;周顺桂;;盘管式微生物燃料电池的构建及其应用[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年
9 喻玉立;袁用波;胡忠;;产电菌的选育及其在微生物燃料电池中的应用[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年
10 陈禧;王炜;彭香琴;刘宇波;幸毅明;;微生物燃料电池结构与材料研究进展[A];2013中国环境科学学会学术年会论文集(第八卷)[C];2013年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 ;微生物燃料电池处理污水发电两不误[N];中国环境报;2005年
2 记者 符王润 通讯员 曾晓舵 李洁尉 刘静;微生物燃料电池有很大挖掘空间[N];广东科技报;2010年
3 萧潇;微生物燃料电池:处理污水发电两不误[N];中国煤炭报;2005年
4 记者 毛黎;微生物燃料电池技术又推进一步[N];科技日报;2006年
5 纪振宇;微生物燃料电池为汽车节能环保提供解决方案[N];中国高新技术产业导报;2008年
6 本报记者 赵亚平;虾兵蟹将派上新用场[N];科技日报;2007年
7 张芮;希腊从芝士副产品中回收能源[N];中国石化报;2010年
8 常丽君;高空“超级细菌”可成发电新能源[N];科技日报;2012年
9 编译 杨孝文;微生物机器人吃苍蝇发电[N];北京科技报;2006年
10 记者 陈勇;美科学家开发出微生物燃料电池[N];新华每日电讯;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 黄杰勋;产电微生物菌种的筛选及其在微生物燃料电池中的应用研究[D];中国科学技术大学;2009年
2 陶琴琴;微生物燃料电池同步脱氮除磷及产电性能研究[D];华南理工大学;2015年
3 徐磊;微生物燃料电池PB/rGO阴极材料及导电膜自清洁性能研究[D];大连理工大学;2015年
4 臧国龙;基于微生物燃料电池的复杂废弃物处置及光电催化制氢[D];中国科学技术大学;2013年
5 代莹;银/铁—碳基复合体作为微生物燃料电池阴极的性能研究[D];黑龙江大学;2016年
6 龚小波;微生物燃料电池高效电极与界面设计强化产电特性研究[D];哈尔滨工业大学;2016年
7 孙哲;光催化型微生物燃料电池产电特性及对污染物去除研究[D];东华大学;2016年
8 程建萍;微生物燃料电池阴极的功能拓展及机理分析[D];合肥工业大学;2015年
9 孙彩玉;基于BES污水处理—产能研究及微生物群落结构解析[D];东北林业大学;2016年
10 杜月;生物阴极微生物燃料电池特性及其与光催化耦合模式的研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张鑫;复合微生物燃料电池的研究[D];天津大学;2007年
2 刘晔;微生物燃料电池强化去除地下水硝酸盐的研究[D];中国地质大学(北京);2015年
3 李瑞博;微生物燃料电池运行因素影响研究[D];兰州大学;2015年
4 周扬;石墨烯聚苯胺修饰电极在双室微生物燃料电池中的应用研究[D];长安大学;2015年
5 庄晓培;碳纳米管复合电极及钯阳极在海底微生物燃料电池中的性能研究[D];中国海洋大学;2015年
6 韩金枝;聚合物改性阳极在海底沉积物微生物燃料电池中的性能研究[D];中国海洋大学;2015年
7 孟瑶;不同条件下含油海底微生物燃料电池性能及降解效应研究[D];中国海洋大学;2015年
8 刘明;生物阴极型微生物燃料电池处理含盐氨氮废水及产电性能的研究[D];中国海洋大学;2015年
9 王健;聚吡咯改性复合阳极在海底微生物燃料电池中的应用及机理研究[D];中国海洋大学;2015年
10 弋舒昱;MFC对土壤污染物的净化效能研究[D];东南大学;2015年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026