磷酸盐活化活性炭空气阴极应用于微生物燃料电池的研究

• 作 者: 陈志豪
• 机 构: 南开大学
• 出 处: 南开大学
• 发表日期: 2014年期
• 关键词: 废水处理 活性炭 电化学性能 磷酸盐 空气阴极 微生物燃料电池

当今社会，人类面临着严峻的能源危机、水环境污染及资源短缺等一系列尖锐的问题，这些问题严重影响了人类的生活，阻碍着人类社会的进步和可持续发展。微生物染料电池(MFC)是近些年迅速发展起来的一种新型的污水处理技术，同时这种技术也是一种新的绿色的能源技术。它通过将传统的生物降解和电化学技术相结合，使用废水里面的产电细菌等微生物当催化剂，将废水中有机物进行氧化，使化学能转变成电能。　　在传统意义上，由于微生物燃料电池使用了贵金属Pt作为阴极材料而导致其自身成本大增，影响了MFC的发展。寻找廉价、高效的材料作为催化剂是当前以及今后研究的重点。活性炭是人类生活中很常用的物质，活性炭的种类更是多种多样，其用途也是十分广泛。正是由于其廉价、来源广泛、催化性能好等优点，在当前，以活性炭作为阴极催化剂的微生物燃料电池的研究已经成为当下研究的重点。活性炭已经被证明在MFC中能够起到很好的催化性能，但是单纯的将活性炭应用于MFC时产生的功率密度仍然较低，因此需要采用一定的方法来提高活性炭的催化性能。通过对活性炭进行修饰，改变活性炭的物理或者化学性质进而制造出高效能的活性炭将会是今后研究的一个重点方向。　　本实验通过使用一定浓度的磷酸盐，包括磷酸、磷酸一氢钠、磷酸二氢钠、磷酸钠这四种化学物质，对活性炭进行处理，进而研究了磷酸盐溶液的浓度、不同的反应温度对活性炭处理前后效果的影响。具体的分析包括了:电池运行的极化曲线和功率密度、空气阴极的LSV、EIS表现、活性炭孔径结构的分析、FTIR分析、XPS分析以及Boehm滴定等多种手段，从而通过对活性炭被处理前后的电化学性能、形态学结构以及表面官能团变化进而分析并确定影响活性炭性能的各种因素。　　通过文章中一系列的分析，可以知道活性炭孔径结构的变化，尤其微孔含量的相对提高、空气阴极电阻的降低、活性炭表面酸性官能团的降低以及含磷官能团的引入都有利于提高活性炭在MFC中的催化作用，尤其是活性炭表面的官能团的变化起到更大的作用。　　总的来说，作为一种全新的生物作用的废水处理技术，在环境污染物处理领域，MFC已成为热点的研究内容，因为它具有的独特的工作和运行的方式能够为污水处理和能源制造提供新的途径。而随着活性炭修饰研究的不断深入，相信活性炭空气阴极在MFC中的应用和发展必将能迎来巨大的关注和发展。