双室生物燃料电池碳基材料制备及产电特性概述

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1、双室生物燃料电池碳基材料制备及产电特性概述1绪论1.1课题背景与研究意义在未来社会中，影响人们生活方式和社会发展的主要问题是能源的短缺，采取的主要解决方式是加大对能源开采力度的同时研究一些可再生的能源，以此来缓解人们对能源的需求。微生物燃料电池(microbialfuelcell,MFC)装置由阳极室、阴极室和外接负荷构成，它利用活性微生物菌作为阳极室的催化剂，将储存于无机物或者有机物内的化学能转换为电能。由于MFC在实现污染物降解的同时还能直接输出电能，所以MFC被认为在解决环境污染和能源危机中具有良好的应用前景。目前为止厌氧生物处理、好氧生物处理这两种处

2、理方法是普遍应用的废水处理技术。但是，好氧处理的缺点是要耗费巨大的能量并且运行的费用较高。厌氧处理工艺的运行费用不高，同时能够以CH4的形式得到一定的能量，但是CH4是重要的温室气体之一，是影响全球温室效应的重要因素之一。传统的有机物废水中含有很多可以转化或者分解的物质，一般的废水处理技术是不能够利用其中的物质来回收剩余能源的，如果能够做到不仅能处理废水，还能回收废能源，就能够缓解人类所面临的资源匮乏问题。着近来技术的快速发展有希望实现这一想法和愿望⑴。MFC技术在阳极室内的厌氧环境下实现污水的处理，在阴极室内进行曝气可以实现电子的转化反应，它不仅能够实现废

3、水处理，而且还能够获得电能，应用前景广泛[2]，目前正处于不断的开拓中。首先，MFC可以为世界各大海洋监测器提供连续不断的电源，实现途径是将海洋底部的沉积物作为MFC的阳极，附近的海水则作为MFC的阴极，这样就可以收集到由MFC产生的不间断的电流了。其次，MFC技术亦可应用于生物修复，如将有机物浓度很高或者污染严重的地方作为MFC的阳极，这样就可以通过微生物的降解作用实现对高浓度有机物的氧化和分解。1.2MFC的工作原理MFC装置一般由阳极室和阴极室组成，阳极室和阴极室的中间用质子交换膜(PEM)隔幵，其原理如图1.1所示。MFC在阳极室内不需要传统的金属作

4、为催化剂，有机物(如葡萄糖、醋酸等)直接在活性微生物的催化氧化作用下产生质子和电子，产生的电子由微生物内部传递到阳极，再通过连接阴阳两极的导线传递给阴极；质子则通过中间的PEM传递到阴极，亦可通过电解质溶液到达阴极室，最后质子、电子和（h在阴极室内反应生成了水[3]。如图1.1所示，细菌在阳极室内生长，氧化溶液中的有机物，从而将产生的电子释放到阳极室中。产生的质子则直接释放到阳极液中，随后通过中间的PEM传递到阴极室内。电子则经过阴阳两极之间的导线传递到阴极室内，在阴极室内质子、生成了对环境无污染的产物水。外部电路由导线和负载组成。在整个MFC的反应系统中，

5、并未用到任何化学催化剂，而是通过活性微生物作为其催化剂；而在化学燃>斗电池(FC)系统中，需要采用价格不菲的化学物质作为其反应的催化剂，这就是MFC较FC的最大优势。由于MFC不需要用到昂贵的化学催化剂，所以大大地降低了系统的成本；同时MFC还能使用比CH3OH、H2等更复杂的燃料(如C6H12O6，污水中的有机物等)来产生电能。MFC阳极室内的活性微生物拥有自我更新和繁殖的能力，所以一般化学催化剂固有的钝化现象不会出现在MFC反应中，因此MFC可以实现连续不断的污水处理，同时还可以产生电能。2酸处理和热处理改性阳极材料的研究2.1实验MFC是一种不会

6、污染环境的可持续能源装置，它最重要的应用是在处理废水的同时还能产电。因此，怎样增加MFC的功率密度已经成为最大的技术挑战[50，54]0在影响MFC输出功率的诸多因素中，阳极材料起到了至关重要的作用。Cheng等[7]以氨气处理过的碳布作为阳极材料，增加了产电微生物菌在阳极的附着量，提高了MFC的输出电压和功率密度，并且使得MFC的启动时间减少了一半。Logan等?利用氨气处理过的石墨刷作为MFC的阳极材料，实验结果表明MFC的功率密度达到了2400mFC的功率输出[49]。其它报道的一些修饰技术还包括：用酸对阳极材料表面进行氧化处理[25，55]，引入葱醌

7、基团，用导电聚合物聚苯胺或聚批略修饰，表面负载碳纳米管[13_14]等。实际上，表面修饰应该聚焦在增加阳极材料表面的氮含量[27，49]。碳布因为具备有利细菌吸附的高比表面积，从而广泛应用于MFC中。在本章研究中，分别对碳布进行浓酸处理和高温处理，此种处理方法具有容易实现的优势。目前为止，还未见有用酸处理碳布的报道。最后分析了不同的改性处理方法产生不同实验结果的原因。通过SEM观察了材料表面吸附细菌的多少和形态学特征，而且还通过XPS测试分析了材料表面的元素含量。2.2测试与分析方法在实验室，一个小型的MFC所产生的电流是很小的，因此并不直接测量电流，而是通

8、过测量外电阻上的电压来计算得出[6a]。在实验过程中