检索结果-南通市图书馆

作者：卢智昊华东理工大学

学位级别：硕士

微生物燃料电池启动期间,输出电压增长而阳极电阻减小的现象已被广泛报道。然而,对阳极生物电容与其产电性能关系的了解则非常有限。生物电容,即因生物活性(如阳极产电微生物的生长代谢等)引起的表观电容,在此过程中起到重要作用。探究... 详细信息

微生物燃料电池启动期间,输出电压增长而阳极电阻减小的现象已被广泛报道。然而,对阳极生物电容与其产电性能关系的了解则非常有限。生物电容,即因生物活性(如阳极产电微生物的生长代谢等)引起的表观电容,在此过程中起到重要作用。探究微生物燃料电池阳极生物膜电容与内阻特性对产电性能的影响,以及生物电容的形成机制及其电容量的影响因素,以及底物、电极和阳极微生物间的电子传递过程具有重要意义。本文采用电化学阻抗法研究微生物燃料电池启动阶段的内阻和生物电容的变化,揭示内阻和生物电容对微生物燃料电池产电性能的影响。结果表明,在微生物燃料电池启动过程中,阳极的生物电容从3.29 mE增长至120 mF,在10到12天的时间内增加了16.8%至18-20倍。另外,降低温度和4%的多聚甲醛固定使微生物失活后,分别导致生物电容下降了16.9%和62.6%,阳极内阻增加了92.3%和1.5倍,表明微生物燃料电池阳极电容与阳极产电微生物的活性呈正相关,阳极内阻与阳极产电微生物的活性呈负相关。因此,阳极的生物电容在微生物燃料电池产电过程中起重要作用。我们认为,微生物燃料电池不仅是生物反应器和/或电化学电池,而且是一种生物电容器,拓展了对微生物燃料电池电子传递机制,反应器的构型设计和开发电极材料的视野。本文采用计时电流法、电化学阻抗法和线性扫描伏安法结合旋转圆盘电极对微生物燃料电池阳极传质对内阻、电容和输出功率的影响进行了探究。结果表明,在微生物燃料电池启动阶段,随着电流的增加,阳极阻抗逐渐减小,电容逐渐增大,其中生物膜电容同电流的增加的皮尔逊积矩相关系数为0.997,表现出强线性相关。使用20 mmol L-1乙酸钠阳极液和50 mmol L-1铁氰化钾阴极液在-300 mVAg/Agcl极化电位下驯化9天后,获得了约187 μA的稳定电流输出。在初始电流为86μA时,480 rpm获得了189 μA的电流输出,提高了12倍。功率输出随旋转电极转速的增加而增加,初始电流为68 μA时,微生物燃料电池在568 mV、480 rpm下获得了最大2852 mWm-2的功率输出,输出功率提高了85.04%。启动后电化学阻抗谱测试表明,阳极的阻抗随旋转电极转速的增加,阳极传质的强化而减小。但是,转速过高(640 rpm)会由于离心力和剪切力的作用使阳极阻抗升高,不利于微生物燃料电池的功率输出。本文采用线性扫描伏安法结合Koutecky-Levich理论对强制对流对底物在阳极液-生物膜电极体系的传质影响进行了分析。分析了强制对流对生物膜阳极的水力边界层,扩散层厚度的影响,从微观和理论角度阐释了增强对流对加速传质过程,提高输出功率的原因。结果表明,排除扩散过程影响的动力学电流为117±2μA;极化曲线测试中,480rpm下得到的最大电流为112 μA,400 mV下为109μA,与动力学极限电流接近,说明480 rpm时已经能够有效地消除阳极的扩散阻抗。旋转电极转速增加从10 rpm增加至480 rpm,可使水力边界层从3.85 mm减小至0.56mm,减小78.5%,扩散层从97 gm减小至14μm,均减少了85.6%。因而有效减小了该反应的扩散过程控制的区域,扩大了传质对流的区域,提高了生物膜电极的反应速率,从而增大了生物电化学反应器的输出功率。

关键词：微生物燃料电池阳极电容内阻传质产电性能

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化学修饰炭黑在微生物燃料电池中的生物产电行为（英文）

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催化学报 2015年第8期36卷 1326-1332页

作者：彭新红初喜章刘玮王生辉邹一王晓楠国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所天津300192

研究发现微生物燃料电池从启动到稳定运行的过程中往往存在一种现象,就是在高电流密度下,微生物燃料电池的输出电压会出现逆转,从而限制了微生物燃料电池的规模化应用,以及它在污废水处理、脱盐等方面的功能.前期研究发现,微生物燃料电... 详细信息

研究发现微生物燃料电池从启动到稳定运行的过程中往往存在一种现象,就是在高电流密度下,微生物燃料电池的输出电压会出现逆转,从而限制了微生物燃料电池的规模化应用,以及它在污废水处理、脱盐等方面的功能.前期研究发现,微生物燃料电池的性能逆转现象与阳极材料的电容性能有关.电极材料的电容越大,越有利于微生物燃料电池的产电性能稳定,换言之,阳极材料电容不足导致产电性能逆转.但是超级电容活性炭的制作工艺繁琐,成本高,且导电性弱,不能满足微生物燃料电池的应用需求.炭黑的导电能力强、化学稳定性高、成本低,但作为微生物燃料电池的阳极则产生产电性能逆转现象.化学修饰(如酸、碱活化或者添加具有赝电容性质的金属氧化物等)可以提高材料的电容性能.低温条件(80℃)下,对低电容材料—炭黑进行HNO3和KOH的化学活化处理,并在此基础上,进一步用5%Fe3O4修饰,采用辊压工艺,以质量分数为60%的聚四氟乙烯乳液为粘结剂,制作微生物燃料电池的阳极,与空气阴极构建单室微生物燃料电池系统.采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、比表面积测试、材料表面pH和X射线能量分析光谱(EDX)等手段表征炭黑活化前后的物理、化学性质;接触角润湿性测试表征活化前后电极表面的亲疏水性.电化学循环伏安法测试活化前后,电极的电子存储能力.与蒸馏水的p H相比较,材料表面pH分析表明炭黑材料经化学活化处理后,其表面pH无明显变化;FTIR和EDX测试表明化学活化处理使得炭黑表面引入含O(N)官能团;吸附-脱附曲线分析表明化学活化后,炭黑的比表面积减小,微孔与介孔的体积比增加;接触角测试表明炭黑阳极活化处理后,电极表面亲水性增加;循环伏安测试证实,化学活化后的炭黑阳极电容得到0.1–0.8F/cm2的增长.结合燃料电池的产电性能测试,发现只有当炭黑阳极电容不小于1.1 F/cm2时,微生物燃料电池的产电逆转现象才会消失.炭黑阳极的化学活化方法为微生物燃料电池的性能稳定提供了一种简便、低成本的方法.

关键词：微生物燃料电池化学活化四氧化三铁阳极电容产电行为

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