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《华南理工大学》 2017年
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生物阳极的性能整合与生物膜预制研究

沈伟航  
【摘要】:微生物燃料电池(MFCs)是一种以微生物作为催化剂将有机物的化学能直接转化为电能的装置,输出功率密度是衡量MFCs性能的重要指标,其中阳极性能是影响微生物燃料电池性能的关键因素之一。目前,性能相对较差的阳极材料很难与高氧化还原性能的阴极相匹配,这使得MFCs技术在放大化过程中受到较大限制。因此,研究性能良好的生物阳极对于加速MFCs技术的实际化应用进程具有重要意义。本研究将阳极的生物亲合性、导电性和电子传递能力以及阳极生物膜作为微生物燃料电池阳极的主要对象,探索了如下两部分内容:其一:探究了同时整合强化阳极的生物亲合性、导电性和电子传递能力的可行性与效果;其二,探究了生物膜预制对阳极生物膜的生长及电化学活性的的影响,并对比分析不同阳极生物膜预制方法的优劣,得到以下结果:(1)采用硝酸处理与梯度电化学聚合沉积的方法,将不同厚度的聚吡咯/蒽醌-2,6磺酸钠盐复合薄膜电沉积至硝酸处理的碳毡阳极上,整合碳毡阳极的生物亲合性、导电性及电子传递能力,同时强化阳极的这三种性能。结果表明,随着整合强度的加强,阳极性能逐步得到提升,整合阳极在阳极生物量、电导率以及交换电流密度方面优于对照组2.4~3.3倍,其中硝酸处理后的阳极施加0.12 C/cm~2的电量对应的整合阳极,表现出最高的峰值电流、最大的阳极生物量(0.44 mg/cm~2)、最大的电导率(0.33 S/cm)、最大的交换电流密度(3.65×10~(-3) A/m~2)以及最小的传质阻力,其对应MFC的最大功率密度达1060.3 mW/m~2,是对照组的2.2倍,阳极开路电势接近-0.55 V。由此可见,阳极的生物亲合性、导电性以及电子传递能力可同步整合,实现MFCs的高产电性能。(2)采用基于外界连续恒压和恒流电化学选择压力的方法,加速并实现MFCs阳极电化学活性菌的筛选和富集过程。结果表明,恒压预制效果优于恒流,在恒压控制条件下,阳极响应电流随预制时间的延长而增强,并在第8天达到5.10 A/m~2,表现出持续稳定的电化学活性。恒压预制8天的阳极在循环伏安测试、塔菲尔测试以及电化学阻抗谱测试方面均优于未预制对照组及其它预制条件下的阳极,恒压预制8天的阳极可实现MFC的即时启动,且该预制阳极对应的MFC在60 min内可产生高于对照组1.42倍的输出电压(0.54 V)和高于对照组1.79倍的功率密度(1163.07 mW/m~2)。此外,在较低的阳极电流下,阳极生物膜中会形成死-活双层细胞膜结构,活细胞层在生长过程中会达到一个相对恒定的厚度,主要负责产电;死细胞会继续在电极表面累积,作为电子传递的介体。由此可知,阳极生物膜预制可提高MFCs的启动效率和功率输出。
【关键词】:微生物燃料电池 生物阳极 阳极性能整合 阳极预制 阳极生物膜
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TM911.45
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-11
  • 第一章 绪论11-26
  • 1.1 引言11-12
  • 1.2 微生物燃料电池的研究进展12-17
  • 1.2.1 发展历程12
  • 1.2.2 工作原理12-13
  • 1.2.3 主要应用13-17
  • 1.3 影响微生物燃料电池性能的关键因素17-19
  • 1.4 阳极的研究进展及存在的主要问题19-23
  • 1.4.1 阳极的研究进展19-22
  • 1.4.2 存在的主要问题22-23
  • 1.5 选题思路23
  • 1.6 研究目标、内容及技术路线23-26
  • 1.6.1 研究目标23-24
  • 1.6.2 研究内容24
  • 1.6.3 拟解决的关键问题24-25
  • 1.6.4 技术路线25-26
  • 第二章 材料与方法26-33
  • 2.1 实验材料26-29
  • 2.1.1 模拟废水26-28
  • 2.1.2 接种物的采集与驯化28-29
  • 2.1.3 主要仪器29
  • 2.2 主要方法29-33
  • 2.2.1 阳极性能表征方法29-31
  • 2.2.2 电池性能分析方法31-33
  • 第三章 阳极生物亲合性、导电性及电子传递能力的整合33-50
  • 3.1 引言33-34
  • 3.2 实验过程及表征34-37
  • 3.2.1 阳极准备34-35
  • 3.2.2 MFC组装运行35
  • 3.2.3 阳极测试及表征35-37
  • 3.3 整体性能分析及扫描电镜37-40
  • 3.3.1 不同阳极的CV特性表征37-38
  • 3.3.2 电化学阻抗谱测试38-39
  • 3.3.3 未接种阳极扫描电镜39-40
  • 3.4 生物亲合性、导电性以及电子传递能力40-42
  • 3.4.1 阳极生物亲合性40
  • 3.4.2 阳极导电性40-42
  • 3.4.3 阳极电子传递能力42
  • 3.5 不同阳极装配的MFCs启动、产电特性及电镜分析42-45
  • 3.5.1 启动、产电特性42-44
  • 3.5.2 接种阳极扫描电镜44-45
  • 3.6 阳极生物量、电导率及交换电流密度的标准化处理45-47
  • 3.7 讨论47-49
  • 3.8 本章小结49-50
  • 第四章 微生物燃料电池生物阳极预制及其效果分析50-68
  • 4.1 引言50-51
  • 4.2 材料与方法51-54
  • 4.2.1 阳极恒压及恒流预制51-52
  • 4.2.2 MFC的组装运行52
  • 4.2.3 阳极生物膜生长及代谢结构分析52-53
  • 4.2.4 预制阳极的电化学分析53
  • 4.2.5 场发射扫描电镜分析53-54
  • 4.3 结果与分析54-66
  • 4.3.1 不同预制阳极的循环伏安和奈奎斯特曲线54-56
  • 4.3.2 不同预制阳极的塔菲尔曲线及预制信号响应56-58
  • 4.3.3 不同预制阳极装配的MFC启动和产电特性58-60
  • 4.3.4 不同预制阳极的场发射扫描电镜60-63
  • 4.3.5 不同预制阳极染色后的共聚焦显微镜观察结果63-66
  • 4.4 小结66-68
  • 第五章 结论与展望68-71
  • 5.1 结论68
  • 5.2 创新点68
  • 5.3 展望68-71
  • 参考文献71-91
  • 攻读硕士学位期间取得的研究成果91-94
  • 致谢94-95
  • 附件95-96

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