本文關鍵詞：空氣陰極微生物燃料電池復合催化劑的制備與性能研究

  更多相關文章： 復合催化劑 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)技術實現(xiàn)了有機物的化學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)模應用的基本構型之一�？諝怅帢O催化劑性能及各部分材料價格是制約空氣陰極MFC產(chǎn)電效率和經(jīng)濟性能的重要因素。針對這一問題,本文研究了不同復合方式和復合比例的復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。在此基礎上,對整個空氣陰極的材料及制作方法進一步優(yōu)化,在降低空氣陰極成本的同時使MFC的功率輸出達到較高的水平,為日后廉價催化劑的開發(fā)奠定基礎。本文利用化學方法和機械混合法制備得到復合比為1:3、1:1和3:1的MnO2和活性炭的復合催化劑。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行了表征。而在此基礎上,利用線性掃描伏安法(LSV)和交流阻抗譜法(EIS)對使用不同復合比例的催化劑所制作的空氣陰極的電化學性能進行了測試。最后將制備的空氣陰極用于MFC中,實驗研究了其對空氣陰極MFC產(chǎn)電性能的影響。對復合催化劑的研究表明:催化劑的復合方式和復合比例對空氣陰極性能均有較大的影響�；瘜W復合催化劑MFC的最大功率密度為336 mW/m2,大于機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的復合比例均為1:1。實驗還表明,在三種復合比例條件下,化學法制備的復合催化劑的性能優(yōu)于機械混合催化劑。MFC的性能會隨著空氣陰極負載催化劑復合比例的不同而不同:復合比例為1:3時產(chǎn)電性能最低;隨著MnO2含量增加,1:1時性能最好;繼續(xù)增加至3:1時,MFC性能反而下降。實驗結果還表明,使用復合催化劑的MFC的最大輸出功率是非復合催化劑(MnO2粉末和活性炭)的兩倍以上,復合催化劑的催化性能具有較大的提升。而且復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制備復合催化劑;(2)采用了價格較低的陰極材料,空氣陰極使用泡沫鎳作為集電體,粘結劑和擴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中的運行結果表明,反應物KMnO4與活性炭比為1:3時,達到最大功率密度321.2mW/m2,比負載活性炭的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合比例時,可以保證較高的功率輸出,有助于空氣陰極MFC的規(guī)模化應用。
【關鍵詞】：復合催化劑 MnO2 空氣陰極 泡沫鎳陰極 微生物燃料電池
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：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14-15
• 1.3 空氣陰極燃料電池的研究進展15-22
• 1.3.1 空氣陰極MFC的構型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 空氣陰極粘結劑及擴散層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建及性能評價方法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 反應器的組裝27-29
• 2.2.4 實驗試劑與儀器29
• 2.3 MFC的啟動及運行29-31
• 2.3.1 反應器外電路30
• 2.3.2 陽極接種30-31
• 2.3.3 反應器的啟動31
• 2.3.4 反應器的運行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34-36
• 第3章 空氣陰極微生物燃料電池運行參數(shù)的確定36-44
• 3.1 陽極材料對MFC性能的影響37-40
• 3.1.1 實驗設計38
• 3.1.2 運行電壓曲線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 實驗設計40
• 3.2.2 運行電壓曲線40
• 3.2.3 功率密度曲線40-42
• 3.3 本章小結42-44
• 第4章 復合催化劑空氣陰極微生物燃料電池的性能44-64
• 4.1 復合催化劑的制備及表征44-48
• 4.1.1 復合催化劑的制備方法44-45
• 4.1.2 復合催化劑的XRD分析45-46
• 4.1.3 復合催化劑的SEM分析46-48
• 4.2 復合催化劑微生物燃料電池的性能48-62
• 4.2.1 復合催化劑對陰極性能的影響48-49
• 4.2.2 復合催化劑對MFC產(chǎn)電性能的影響49-53
• 4.2.3 復合催化劑陰極的阻抗譜及內(nèi)阻分析53-62
• 4.3 本章小結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 復合催化劑的制備及表征64-69
• 5.1.1 復合催化劑的制備方法64-65
• 5.1.2 復合催化劑的XRD分析65
• 5.1.3 復合催化劑的EDX分析65-66
• 5.1.4 復合催化劑的SEM分析66-68
• 5.1.5 復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75-78
• 結論與展望78-80
• 參考文獻80-86
• 攻讀碩士學位期間所發(fā)表的學術論文86-88
• 致謝88

【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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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 許鳳玲;海洋生物膜的電活性及其在微生物燃料電池中的應用基礎研究[D];中國科學院研究生院（海洋研究所）;2009年

5 張葉臻;新型石墨紙和石墨烯在微生物燃料電池中的應用研究[D];華南理工大學;2013年

6 劉宜勝;基于三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機和微生物燃料電池的微小型電源研究[D];浙江大學;2008年

7 曹效鑫;微生物燃料電池中產(chǎn)電菌與電極的作用機制及其應用[D];清華大學;2009年

8 孫敏;微生物燃料電池的功能拓展和機理解析[D];中國科學技術大學;2009年

9 莫光權;功能化碳納米管材料在微生物燃料電池中的應用研究[D];華南理工大學;2010年

10 王凱鵬;電子中介體固定化及其在微生物燃料電池陽極的應用[D];武漢大學;2010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：995610