微生物燃料电池阳极生物膜的保护与功率输出的优化研究

摘要

微生物燃料电池（MFC）是一种利用电活性微生物氧化降解有机小分子，将化学能转化为电能的电化学装置。近年来，关于MFC的理论基础研究已取得了巨大的进展，然而其实际应用，特别是污水处理，还受到了极大的限制。一方面，当溶液中氧含量增大时，MFC阳极的厌氧电活性微生物的生物电化学活性会受到严重抑制甚至完全失去。因此，MFC技术难以与传统的好氧污水处理技术相融合。另一方面，MFC的输出不稳定，单个 MFC容易产生功率骤降，而且串联MFC电池组容易发生电压反转，严重降低MFC的功率输出。针对上述问题，本论文一方面采用物理交联的聚乙烯醇（PVA）水凝胶对电活性微生物膜进行保护，以提高其耐氧性能；另一方面开发具有高电容的多孔碳泡沫（CF）材料作为MFC的阳极，以消除MFC的功率骤降和电压反转，提高MFC的功率输出。
　　第一部分以炭黑修饰的不锈钢网作为阳极，在其上生长电活性微生物膜形成生物阳极；接着采用液氮冷冻/解冻物理交联的 PVA对生物阳极进行包裹固定，制备水凝胶微生物阳极。扫描电子显微镜（SEM）形貌表征显示，液氮冷冻/解冻制备的PVA凝胶内部呈现规则的管状结构。MFC全电池性能测试显示，基于PVA水凝胶生物阳极的MFC可产生的最大电流密度为1.40 mA cm-2，功率密度为1200 mW m-2，与未包裹凝胶的不锈钢网电极的产电性能相近。生物阳极的耐氧性能测试显示，在曝纯氧的条件下，水凝胶生物阳极的电活性没有受到很大影响，以其构建的MFC的功率输出也基本保持不变；而没有水凝胶包裹的生物阳极，其电活性则急剧降低，这说明水凝胶生物阳极具有优异的耐氧性能。水凝胶生物阳极的耐氧性能主要归功于 PVA水凝胶降低了氧气扩散速率，阻碍了氧气向电活性生物的扩散。
　　第二部分采用高温炭化三聚氰胺泡沫制备了柔性炭泡沫（CF）。CF具有较大的孔隙率和孔隙结构，有利于电活性微生物的生长。以900℃炭化的厚度为4 mm的碳泡沫（简称CF-900-4）作为阳极，可产生4.2 mA cm-2的电流密度。基于CF-900-4阳极和空气阴极的组成的MFC，其功率密度高达3100 mW cm-2。此外，CF具有优异的机械性能，能够替代传统刚性的炭基材料，为MFC的实际应用提供了可能。
　　第三部分研究了电容型电极对MFC的功率骤降和其在串联时产生的电压反转现象的影响。经过测试发现 CF-900不仅是一种性能优异的 MFC阳极材料，还是一种出色的电容材料。充放电测试结果显示 CF-900的比电容值高达111 F g-1。将CF-900-4与空气阴极组装成MFC后发现单个电池不会发生功率骤降现象；MFC在串联时也不会发生电压反转。因此，电容型的材料可以优化MFC的功率输出。

目录

声明

符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 MFC的工作原理

1.3 MFC扩大化面临的问题与措施

1.4 本课题的研究目的和意义及其主要内容

2.1 实验药品和材料

2.2 实验仪器

2.3 单室MFC

2.4 MFC的电化学测试和材料的相关表征

3.1 引言

3.2 凝胶电极的制备

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

4.1 引言

4.2 炭泡沫电极的制备

4.3 实验结果讨论

4.4 本章小结

第五章 电容型MFC对电能输出的优化研究

5.1 引言

5.2 电容型MFC的构建

5.3 实验结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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