论文部分内容阅读
环境与能源问题已然成为影响人类生存与发展的核心问题。近些年，微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）能够利用微生物催化直接将燃料的化学能转化为电能，是一种能实现污水净化同时产电的新技术，因此受到了广泛关注。现阶段MFC输出功率密度偏低和构建成本过高限制了其在工程中的实际应用。随着反应器结构材料的优化，源于电极表面微生物催化反应的活化内阻逐渐成为制约MFC功率提升的关键；构建成本则主要来源于阴极用于催化氧气还原的贵金属，寻找廉价高效的化学催化剂，或者利用微生物代替化学催化剂形成生物阴极可以有效降低MFC的构建成本。针对以上存在问题，本论文通过简单的方法实现对阳极电极的表面改性，提高微生物与阳极电极之间的电子转移速率，改善阳极性能；在阴极，开发出廉价高效的氧气还原复合催化剂用以替代贵金属Pt，或者采用生物阴极取代贵金属催化剂，筛选出廉价高效的适合生物阴极的电极材料以及利用简单高效方法修饰生物阴极材料，降低构建成本的同时提高MFC的性能，从而在材料制备和应用方面为实现MFC的大规模实际应用提供有价值的参考数据和切实可行的实施方案。得到如下主要结果与结论：（1）通过层层自组装法制备了介孔碳修饰的碳纸电极，循环伏安法(Cyclicvoltammetry，CV)与电化学阻抗法（Electrochemical impedance spectroscopy，EIS）表明，相比于未经介孔碳修饰的碳纸，其具有更好的稳定的电化学性能,如增大了反应活化面积和电子转移速率，适宜应用于MFC阳极。以介孔碳修饰的碳纸作为阳极的MFC获得了237mW m-2功率密度，为未经介孔碳修饰的碳纸作为阳极的1.9倍（128mW m-2），同时期启动时间也缩短了68%，阳极极化损失也大大降低。（2）原位合成的二氧化锰碳纳米管复合催化剂（‘in-situ MnO2/CNTs’），在中性缓冲溶液中对氧气有很好的还原催化活性。扫描电镜（Scanning electron microscope，SEM）显示MnO2充分均匀的修饰于CNTs表面，且在高强度超声后仍能稳定的附着在CNTs管壁。将‘in-situ MnO2/CNTs’修饰于碳纸电极上，应用于MFC阴极，最大输出功率密度达到了210mW m2，与Pt/C相当（229mW m2），表明‘in-situ MnO2/CNTs’可以作为一种廉价高效的氧气还原催化剂替代Pt/C而应用于MFC阴极。（3）阴极材料的选择对生物阴极型MFC极为重要。主要探究了常用的几种材料石墨毡（Graphite felt，GF）、碳纸（Carbon paper）和不锈钢网（Stainless steel mesh，SSM）在MFC生物阴极中的应用比较，GF-MFC的电流密度和最大功率密度分别为350mA m2和109.5mW m2，高于CP-MFC（210mA m2and32.7mW m2）和SSM-MFC（18mA m2and3.1mW m2）。三种材料对应的MFC均获得了较高的COD去除率，GF-MFC获得了最大的库伦效率11.7%。三种材料中，石墨毡最适合于应用于双室型生物MFC中的阴极中。（4）通过简单可扩大化的方法制得了CNTs修饰SSM电极CNTs-SSM。SEM显示CNTs均匀的分布在不锈钢网表面，形成了一个三维网状结构，其表面积也随之提高。经过高强度的超声，修饰在不锈钢网表面的CNTs也不会脱落，说明CNTs与不锈钢网的结合非常稳固。CNTs-SSM-MFC的最大功率密度达到147mW m2，是SSM-MFC（3mW m2）的49倍之多。CV测试证明生物阴极上的生物膜可以催化还原氧气，且CNTs-SSM生物阴极表现出氧气催化还原效率远远高于SSM生物阴极。SSM在生产过程中可以极为方面的调整期纤维直径、孔隙，这可以为其在MFC的实际应用提供进一步的优化。此外，SSM易折易弯曲的特性可以使得在MFC实际应用中根据需要构建相应结构形状的CNTs-SSM生物阴极，如立方形、圆柱形或者条状。