以石墨粉為陽(yáng)極基體,使用相轉(zhuǎn)換法,制備了一種孔隙梯度分布的多孔陽(yáng)極材料。將這種陽(yáng)極組裝為雙室型微生物燃料電池進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。另外,在陽(yáng)極中添加了10%石墨質(zhì)量比的聚苯胺,對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行改性。相轉(zhuǎn)換的改性方式能夠使聚苯胺與陽(yáng)極顆粒均勻混合,保證了改性的效率。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,單純石墨陽(yáng)極的功率密度為26.3mW·m^-2。而添加了聚苯胺后,功率密度提高到了80.2mW·m^-2。阻抗譜測(cè)試也顯示,添加聚苯胺后的陽(yáng)極,其歐姆阻抗與界面阻抗均有一定程度的降低。 

【文章來(lái)源】：化學(xué)研究與應(yīng)用. 2020,32(05)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：5 頁(yè)

【部分圖文】：

陽(yáng)極截面模擬圖(a)及雙室型MFC單電池圖片(b)

圖3為陽(yáng)極的SEM圖片。圖3(a)為陽(yáng)極指狀孔的截面圖。從圖中可以看出,通過(guò)相轉(zhuǎn)換法,能夠制備出相轉(zhuǎn)換工藝特有的孔隙結(jié)構(gòu),由上而下的孔隙大體呈現(xiàn)一種梯度狀分布,即表面是一些大的指狀孔,而內(nèi)部的則是一些致密的孔隙結(jié)構(gòu)。由圖3(b)可更加清晰地看到,在圖3(a)的黑色圈內(nèi),陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的內(nèi)部是一種均勻的小孔結(jié)構(gòu)。通過(guò)相轉(zhuǎn)換法制備得到的這種多孔陽(yáng)極能夠極大地增加陽(yáng)極的比表面積,測(cè)試結(jié)果表明,陽(yáng)極的比表面積在0.002 3～0.002 5m2·g-1之間。這種大的比表面積有利于微生物的進(jìn)入與生長(zhǎng),且陽(yáng)極電解液在這種結(jié)構(gòu)中應(yīng)受到更小的傳質(zhì)阻力,這些都有助于提高陽(yáng)極的性能。而添加聚苯胺后,陽(yáng)極的比表面積沒(méi)有發(fā)生明顯變化。圖3(c)和圖3(d)分別為單純石墨陽(yáng)極與添加聚苯胺后的陽(yáng)極微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖片。由圖中可以看出,負(fù)載聚苯胺的陽(yáng)極(圖3(d)),陽(yáng)極間的孔隙變得更加致密與均勻,這種變化應(yīng)與陽(yáng)極表面微生物附著量的改變有關(guān)。微生物附著量測(cè)試結(jié)果也表明,負(fù)載聚苯胺的陽(yáng)極,微生物附著量為陽(yáng)極干重的2.5%,而單純石墨陽(yáng)極為1.7%。以上測(cè)試結(jié)果顯示,相轉(zhuǎn)換工藝能夠制備得到具有較大比表面積的多孔陽(yáng)極,并使聚苯胺與陽(yáng)極顆粒均勻混合。適量的聚苯胺能夠提高微生物與碳基陽(yáng)極顆粒之間的生物相容性,有利于細(xì)菌對(duì)陽(yáng)極的附著。隨后的功率密度與阻抗譜測(cè)試也與此相符合。2.2 電化學(xué)性能測(cè)試

圖4為兩種不同陽(yáng)極組裝的電池的電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。其中圖4(a)為多孔石墨陽(yáng)極的電流密度,開(kāi)路電壓和比功率曲線,圖4(b)為添加聚苯胺的陽(yáng)極的測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出,通過(guò)相轉(zhuǎn)換法制備得到的多孔石墨陽(yáng)極,其開(kāi)路電壓為0.65v,功率密度為26.3mW·m-2。這也說(shuō)明了相轉(zhuǎn)換法制備MFC多孔陽(yáng)極的可行性。而在陽(yáng)極中加入10%石墨質(zhì)量比的聚苯胺后,相同條件下,電池的功率密度有了明顯上升,為80.2mW·m-2,功率密度的提高可能與聚苯胺具有良好的電化學(xué)活性和生物相容性有關(guān)。圖4(c)為兩種陽(yáng)極的阻抗譜測(cè)試。結(jié)果表明,單純的石墨陽(yáng)極(圖4c(1))中,界面電阻占了總電阻很大的比重。而在陽(yáng)極中負(fù)載了聚苯胺(圖4c(2))后,陽(yáng)極的歐姆阻抗與界面電阻均有了一定程度的下降,且界面電阻的比重有了顯著的減少。這種變化可能與聚苯胺有利于微生物生物膜的形成,能夠提高細(xì)菌與陽(yáng)極間的電子傳輸效率密切相關(guān)。隨后的電壓穩(wěn)定性測(cè)試表明,負(fù)載聚苯胺的陽(yáng)極(圖4d(2))分別在1、3、5、7天后測(cè)試,其電壓的衰減也要更小。通過(guò)這些電化學(xué)測(cè)試結(jié)果,能夠證明在碳基陽(yáng)極中加入聚苯胺進(jìn)行改性,可以優(yōu)化陽(yáng)極的性能。3 結(jié)論


本文編號(hào)：3484643