试谈阴极阴极修饰对沉积型微生物燃料电池运转特性影响结论

摘要：微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)利用自然界广泛有着的微生物作为催化剂，通过生物电化学反应，将储有着有机物中的化学能转化为电能，满足输出电能的同时，能够到达处理处置废弃物的需要，有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术。沉积型MFC(Sediment MFC, FC)作为MFC的一种，阳极深埋于沉积物中，阴极悬于溶解氧(DO)浓度高的水体，这种特殊结构使其适用于河湖底泥的原位修复和固体废弃物处理，并有望率先实现为水下装置供电。然而，如何提升FC的输出功率使其满足小型耗电装置的用电要求是当前FC探讨亟待解决的不足。近年来的探讨表明，由于氧气还原反应(Oxygen Reduction Reaction, ORR)的活性较低，大大限制了系统的产电能力。由此，本探讨通过对阴极进行修饰，以期改善FC阴极区氧气的还原反应速率。考察了不同修饰材料，修饰策略对电池特性、产电性能、污泥性质等的影响。主要探讨内容和结果如下：(1)采取化学原位聚合法和物理涂抹法将导电聚苯胺(PANI)、石墨烯(r-GO)和MnO_2修饰到电极表面，制备了PANI修饰电极(PANI-20、PANI-50、PANI-80和PANI-110)，PANI-r-GO修饰电极(PANI-r-GO_20、PANI-r-GO_(10)和PANI-r-GO_5)和MnO_2-r-GO修饰电极。采取循环伏安法(CV)，电化学阻抗法(EIS)测试探讨了修饰电极的电极性能。实验发现，与空白电极相比PANI修饰电极，PANI-r-GO修饰电极和MnO_2-r-GO修饰电极的电阻显著降低，电子传递性能显著增强。(2)考察了PANI修饰阴极对FC产电特性，污泥性质的变化和底泥中有机质的去除效率的影响。实验表明：与空白FC相比，PANI修饰阴极FC系统的输出电压均有所提升，其中PANI-110修饰阴极FC的输出电压与空白系统(99.8mV)相比，增加到480.6mV，对应的系统表观内阻为64.8。在第10周期的运转周期前后，阳极污泥胞外聚合物(EPS)的量均增加，污泥的相对疏水性最强，此外，SCOD和氨氮(NH_4~+-N)的去除率以空白系统的12.4±0.93%和26.7±0.82%上升到50.2±0.99%和34.5±0.93%。(3)考察了PANI-r-GO修饰阴极对FC产电特性，污泥性质的变化和底泥中有机质的去除效率的影响。实验表明：与空白FC相比，PANI-r-GO修饰阴极FC输出电压均有所提升，复合修饰效果比单独修饰效果好。其中PANI-r-GO_(10)修饰阴极FC输出电压最高，电子回收率最大，系统表观内阻最小，为52.8，此外，SCOD和NH_4~+-N的去除率以空白系统的14.9±1.02%和26.3±0.54%上升到65.7±0.91%和41.2±0.77%。(4)考察了MnO_2和MnO_2-r-GO修饰阴极对FC产电特性，污泥性质的变化和底泥中有机质的去除效率的影响。实验表明：与空白FC相比，MnO_2和MnO_2-r-GO修饰阴极FC系统的输出电压均有所提升，其中MnO_2-r-GO修饰阴极的FC系统输出电压最大，输出电压以空白系统的65.2mV增加到325.7mV；对应的最大功率密度以0.27mW/m~2上升到17.4mW/m~2，相应的内阻以1157下降到159。此外，SCOD和NH_4~+-N的去除率以空白系统的25.8±0.96%和27.3±0.80%上升到37.0±1.47%和32.7±0.86%。关键词：沉积型微生物燃料电池(FC)论文阴极修饰论文聚苯胺(PANI)论文二氧化锰(MnO_2)论文石墨烯(r-GO)论文

摘要3-5

Abstract5-8

目录8-10

第一章 文献综述10-15

1.1 课题探讨背景10-11

1.1.1 微生物燃料电池概述10

1.1.2 MFC 的工作原理和技术优势10-11

1.2 微生物燃料电池阴极修饰的探讨11-13

1.3 沉积型微生物燃料电池13

1.4 探讨目的与作用13-14

1.5 主要探讨内容14-15

第二章 修饰电极的制备及性质表征15-24

2.1 引言15

2.2 材料与策略15-18

2.2.1 实验材料15

2.2.2 主要试剂15-16

2.2.3 主要仪器及设备16

2.2.4 实验策略16-18

2.2.5 测定指标及策略18

2.3 结果与讨论18-23

2.3.1 PANI 修饰电极18-20

2.3.2 PANI-r-GO 修饰电极20-22

2.3.3 MnO_2和 MnO_2-r-GO 修饰电极22-23

2.4 小结23-24

第三章 PANI 修饰阴极对 FC 运转特性的影响探讨24-33

3.1 引言24

3.2 材料与策略24-26

3.2.1 FC 装置构建24

3.2.2 实验材料与策略24-25

3.2.3 实验策略25-26

3.3 结果与讨论26-31

3.3.1 PANI 修饰阴极对 FC 产电特性的影响26-29

3.3.2 PANI 修饰阴极对 FC 污泥性质的影响29-30

3.3.3 PANI 修饰阴极对 FC 系统有机质去除的影响30-31

3.4 小结31-33

第四章 PANI-r-GO 修饰阴极对 FC 运转特性的影响探讨33-40

4.1 引言33

4.2 材料与策略33-34

4.2.1 实验材料33

4.2.2 实验策略33-34

4.3 结果与讨论34-38

4.3.1 PANI-r-GO 修饰阴极对 FC 产电特性的影响34-36

4.3.2 PANI-r-GO 修饰阴极对 FC 污泥性质的影响36-37

4.3.3 PANI-r-GO 修饰阴极对 FC 有机质去除的影响37-38

4.4 小结38-40

第五章 MnO_2-r-GO 修饰阴极对 FC 运转特性的影响探讨40-47

5.1 引言40

5.2 材料与策略40

5.2.1 实验材料40

5.2.2 实验策略40

5.3 结果与讨论40-46

5.3.1 MnO_2-r-GO 修饰阴极对 FC 产电特性的影响40-43

5.3.2 MnO_2-r-GO 修饰阴极对 FC 污泥性质的影响43-44

5.3.3 MnO_2-r-GO 修饰阴极对 FC 有机质去除的影响44-46

5.4 小结46-47

主要结论与展望47-49

主要结论47-48

展望48-49

致谢49-50