本文關(guān)鍵詞：用于農(nóng)藥廢水處理的微生物燃料電池陰極催化劑及其產(chǎn)電性能的研究

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【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(jī)物,實(shí)現(xiàn)污染物降解的同時(shí)產(chǎn)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?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。但是目前由于受到陰極氧還原催化劑鉑/碳(Pt/C)價(jià)格昂貴,自然界存儲(chǔ)量少,長(zhǎng)期穩(wěn)定性差,不易工業(yè)化擴(kuò)大生產(chǎn)等問題的影響,MFCs的規(guī)模化實(shí)際應(yīng)用受到嚴(yán)重阻礙。因此,研究高性能且成本低廉的氧還原催化劑對(duì)MFCs的實(shí)際應(yīng)用有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本文以農(nóng)藥廠廢水為MFCs的底物,在去除廢水中有機(jī)物的同時(shí),回收電能。為提高M(jìn)FC的產(chǎn)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(yīng)用于單室空氣陰極微生物燃料電池中,并結(jié)合催化劑的形貌、微觀結(jié)構(gòu)以及氧還原催化活性等參數(shù),探究雜原子摻雜對(duì)空氣陰極氧化還原反應(yīng)(ORR)催化活性的影響,推動(dòng)MFC在農(nóng)藥廢水處理資源化、商業(yè)化的應(yīng)用。本文的研究結(jié)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(dá)1294.9m~2/g的氮摻雜碳催化劑。電化學(xué)測(cè)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(xué)表征表明,氮原子的摻雜和熱處理獲得的大的比表面積,對(duì)ORR催化活性的提高具有重要作用。該法制備催化劑過程簡(jiǎn)單,是一種易擴(kuò)大生產(chǎn)的制備方法,對(duì)于MFC的放大具有重要意義。(2)在上一章的研究基礎(chǔ)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(diǎn)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(yīng)的影響。通過構(gòu)建單室空氣陰極微生物燃料電池對(duì)各種陰極催化劑的產(chǎn)電性能進(jìn)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(chǎn),價(jià)格低廉。制備過程簡(jiǎn)單,可按比例擴(kuò)大生產(chǎn),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(guān)鍵詞】：微生物燃料電池 廢水處理 摻雜 氧還原催化劑
【學(xué)位授予單位】：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(nóng)藥廢水污染11-12
• 1.1.2 農(nóng)藥廢水處理技術(shù)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(gòu)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(yīng)18
• 1.3.2 空氣陰極的結(jié)構(gòu)18-19
• 1.4 空氣陰極材料催化劑的研究進(jìn)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(nèi)容、創(chuàng)新點(diǎn)23-26
• 1.5.1 研究目的23-24
• 1.5.2 主要內(nèi)容24-25
• 1.5.3 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)25-26
• 第二章 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)材料26-34
• 2.1 引言26
• 2.2 實(shí)驗(yàn)試劑和設(shè)備26-27
• 2.2.1 主要試劑和材料26
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)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(xué)測(cè)試29
• 2.5 微生物燃料電池的構(gòu)建和啟動(dòng)29-32
• 2.5.1 微生物燃料電池的構(gòu)建29-30
• 2.5.2 微生物燃料電池的接種和營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)30-31
• 2.5.3 微生物燃料電池的運(yùn)行31-32
• 2.6 電池性能電化學(xué)分析32-33
• 2.6.1 時(shí)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(xué)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(yīng)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(xué)性能36-37
• 3.4 微生物燃料電池電化學(xué)性能測(cè)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(guān)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(jié)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(yīng)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(xué)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(guān)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(jié)51-53
• 第五章 總結(jié)和展望53-55
• 5.1 總結(jié)53-54
• 5.2 展望54
• 5.3 下一步工作計(jì)劃54-55
• 參考文獻(xiàn)55-63
• 致謝63-64
• 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文64-65
• 附錄65-66

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