不同陽極材料的微生物燃料電池產(chǎn)電性能的研究匯總

1、論文題目：不同陽極材料的微生物燃料電池產(chǎn)電性能研究學院：年級：專業(yè)：姓名：學號：指導教師:摘要微生物燃料電池是一項新工藝，在節(jié)能減排上有廣闊的發(fā)展前景。微生物燃料電池(MFC)是利用陽極產(chǎn)電微生物為催化劑降解有機物直接將化學能轉化為電能的裝置。在MFC系統(tǒng)中，陰陽極的電極材料是影響產(chǎn)電性能的核心要素之一。本課題介紹了MFC中陽極材料的相關研究進展，分析了不同陽極材料表面的產(chǎn)電微生物、產(chǎn)電過程、產(chǎn)電機理和產(chǎn)電能力的區(qū)別，為MFC陽極材料優(yōu)化、產(chǎn)電微生物的富集、MFC構型改造等組合提供思路，著重討論了不同陽極材料對微生物燃料電池的產(chǎn)電性能的影響，從中篩選出產(chǎn)電效率高的陽極材料，推動微生物燃料電池相

2、關研究的發(fā)展。關鍵詞微生物燃料電池；產(chǎn)電微生物；陽極材料；產(chǎn)電性能2AbstractMicrobialfuelcellisanewtechnologyinenergysavingandemissionreduction,andithasbroadprospectsfordevelopment.Microbialfuelcell(MFC)istheusesofanodicmicrobialcatalystdegradationoforganicmatterdirectlyconvertchemicalenergyintoelectricalenergydevice.IntheMFCsystem,

3、anodeandcathodeelectrodematerialisoneofthecoreelementsoftheelectricityproductionperformance.ThispaperintroducestheMFCanodematerialintherelatedresearchprogress,toanalyzedifferentanodematerialonthesurfaceoftheelectricigens,electricityproductionprocess,electricitygenerationandelectricitygenerationcapac

4、itydifference,asMFCanodematerialsoptimization,microbialenrichment,MFCconfigurationtransformationandthecombinationofideas,discussedthedifferentanodematerialsonmicrobialfuelcellpowergenerationperformanceinfluence,fromthescreeningreportofproductionofhighefficiencyofanodematerials,topromotethedevelopmen

5、tofrelatedresearchinmicrobialfuelcell.KeywordsMicrobialfuelcell;Electrogenesismicroorganism;Anodematerials;Electricityproductionperformance目錄摘要.AbstractII前言1.1 .緒論3.1.1 課題的背景 世界形勢 中國形勢3.1.2 微生物燃料電池的產(chǎn)電基本原理 微生物燃料電池的種類 直接微生物燃料電池的構造.5.1.3 不同的陽極材料 碳材料 導電高聚物7.1.3.

6、3 碳納米材料/導電高聚物 金屬和金屬涂層 非金屬和非金屬涂層8.1.4 課題研究的主要內(nèi)容.8.1.5 課題研究的目的和意義 課題研究的目的 課題研究的意義9.2 .實驗材料與方法102.1 MFC的實驗藥品和實驗儀器1.02.1.1 實驗藥品102.1.2 實驗儀器102.1.3 實驗裝置112.2 性能的測試和分析方法112.2.1 廣角X射線粉末衍射（XRD122.2.2 LSV的電化學測定 庫侖效率和電流密度的測定122.2.4 極化曲線和比表面積的測定132.2.5 循環(huán)伏安曲線和功率曲線的測定1.43 .不同

7、陽極材料對產(chǎn)電效果的影響153.1 實驗中所用陽極材料的性質(zhì)分析153.1.1 FaO4/C-J的性質(zhì)分析 FeO4/C-P的性質(zhì)分析173.1.3 FaO4/C-YK的性質(zhì)分析1.93.2 電極電位 鋁電極的電壓-電流關系213.2.2 鐵電極的電壓-電流關系22結論23.參考文獻24.致謝錯誤！未定義書簽。不同陽極材料的微生物燃料電池產(chǎn)電性能研究刖百21世紀是綠色的世紀，可持續(xù)發(fā)展的世紀，然而隨著人類智力的提升，科學技術不斷的革新，環(huán)境問題成為嚴重制約人類社會發(fā)展的因素。生態(tài)，環(huán)境，能源等問題已經(jīng)被提上日程，但是重視力度仍然不夠，尚需各國持續(xù)不斷的共同努力。

8、由于工業(yè)的日新月異的發(fā)展，導致了氣候變化，糧食短缺和化石能源的危機。臭名昭著的世界八大公害事件，用血的事實向人類證明環(huán)境問題已經(jīng)刻不容緩。全球的水污染，大氣污染，噪聲污染，資源浪費相當嚴重。如何科學，合理，節(jié)約地使用不可再生資源，直接關系到國家的能源安全。全球的水污染，大氣污染，噪聲污染，資源浪費相當嚴重。如何科學，合理，節(jié)約地使用不可再生資源，直接關系到國家的能源安全。在化石燃料的開采、運輸、使用、排放的過程中，怎樣做到清潔生產(chǎn)，即從源頭到墳墓的無害化，資源化，減量化，是當前科學家們致力研究的重要方向。不可再生能源的形成是幾十萬年甚至幾十百萬年固定在巖石層中的太陽能。具形成是一個漫長而漸變的

9、過程。而人類開采利用的速度快的驚人。這樣濫采亂伐，在一二百年之后，子孫后代將面對資源和能源枯竭的局勢。因此，必然促使人類研制再生且綠色環(huán)保能源?，F(xiàn)階段，控制污染技術很多，其中包括物理技術，化學技術，生物技術等，但是集消除環(huán)境污染和發(fā)電產(chǎn)能于一身的微生物燃料電池技術，是各國科學家共同青睞的，而且他們爭先恐后的進行相關科研，試圖探究一種緩解能源危機的可行途徑。眾所周知，人類的生活離不開衣食住行，能源的作用于人類無疑是魚和水的關系。不僅是人類存在的基礎，而且在促進經(jīng)濟發(fā)展，提高人類精神文明方面，也起到了舉足輕重的作用。隨著物質(zhì)文明建設的吐火如荼的進行，人們對能源的需求在日益增加?？v使如此，能源浪費問

10、題還是相當嚴重，是個迫在眉睫的事情。近幾十年來，對化石燃料特別是煤炭和石油的過度使用，不僅導致環(huán)境污染，更是引起了全球的能源危機。精神文明建設的長足發(fā)展使人們的環(huán)保意識不斷增強，他們逐漸認識到化石燃料的不可再生的嚴峻性和污染的嚴重性。可再生清潔能源的研發(fā)和推廣使用已是刻不容緩的甚至是關系國計民生的大事。潮汐，地熱，生物能，風能，水能，太陽能、等可再生能源的發(fā)現(xiàn)及研發(fā)將引發(fā)一場轟轟烈烈的能源革命。目前，可再生能源品種不少，但是綠色可再生能源可以在商業(yè)上推廣的并不多。其中作為一種未來可能替代化石燃料的清潔環(huán)保能源一一生物質(zhì)能，被大家青睞。在各種生物能源中，微生物燃料電池作為一種新興的高效的生物質(zhì)能

11、，具有廣泛的使用價值和高效的環(huán)保價值。創(chuàng)新人士將生物質(zhì)能應用于燃料電池，這類發(fā)展和相關研究越來越受到公眾的關注。大力研發(fā)和高效利用生物質(zhì)能源，不僅可緩解能源危機，同時可促進生態(tài)環(huán)境向著良性循環(huán)發(fā)展，對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。生物質(zhì)能源是指大自然中動物，植物，微生物等有生命的各種有機生物，它們本身蘊藏一定的能量，并可以通過某種機制轉化成不同形式的能量，伴隨物質(zhì)循環(huán)實現(xiàn)大自然的能量循環(huán)。在微生物燃料電池(MicrobialFuelCell,MFC)中，微生物在催化劑的作用下將有機物分解為無機物，伴隨著物質(zhì)的轉化，化學能轉化為電能。生活污水和工業(yè)污水中含很多有機物，這些微生物都被可以利用。微生物

12、燃料電池消耗污水中的有機物，通過生物代謝作用，實現(xiàn)能量的轉化，是一種綠色能源，它的特征如下：(1)原料廣泛：可利用多種底物。(2)條件溫和：安全可靠。(3)環(huán)保無污染：唯一產(chǎn)物水。(4)不需外輸能量：實現(xiàn)生物能到電能的轉換。(5)能量可實現(xiàn)循環(huán)。(6)可用于污泥和污水的處理中，變廢為寶，節(jié)能減排。王黎，姜彬慧.環(huán)境生物燃料電池理論技術與應用M. 2010, 252-280.1 .緒論目前，石油和煤炭等傳統(tǒng)化石燃料資源面臨著儲量嚴重短缺，開采環(huán)節(jié)復雜，利用方式效率不高，不可再生和燃燒后產(chǎn)生大量污染氣體等嚴重問題。面對現(xiàn)代出現(xiàn)的各種棘手難題，環(huán)境保護的呼聲也越來越高漲，要求政府和社會各界共同努力，

13、以實現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展。當今世界各國的能源戰(zhàn)略和能源科技發(fā)展都加入了綠色的能源科技要素，人們正在試圖改變20世紀建立的以石油和煤炭為基礎的龐大能源體系，在能源循環(huán)利用的路上奮斗不息。1.1 課題的背景社會是個動態(tài)發(fā)展的社會，時時刻刻都發(fā)生著變化。科學技術隨社會的需要而發(fā)展。污染和浪費事件頻繁發(fā)生，要求綠色和環(huán)保的呼聲越來越高。能源危機的加劇使得微生物電池的研究成為當今世界當之無愧的熱點問題。該電池除污產(chǎn)能既環(huán)保又有效益。1.1.1 世界形勢很久以前就出現(xiàn)了微生物燃料電池。英國植物學家Potter1是開展微生物燃料電池相關研究的開山鼻祖，他通過酵母和大腸桿菌試驗，得出利用微生物可以產(chǎn)生電流的結論。不

14、久后，很多人都嘗試相關方面的實驗，并大膽的把微生物做催化劑，在有機物質(zhì)分解的同時獲得能量。最早的細菌電池是由美國的科學家研制的。它利用尿液并把微生物作為陰陽極的活性材料，供太空飛船使用，不過電池的效率不是很理想。隨著細菌發(fā)電的進展，人們利用細菌在電池組里分解生物有機物質(zhì)，并利用在電極間微生物催化的氧化還原反應。好養(yǎng)和厭氧微生物在自身代謝過程中，將污水中的有機物降解掉，同時產(chǎn)生電子轉移，在完整的回路中形成電流。微生物燃料電池由于其除污產(chǎn)能的優(yōu)勢，在將來的發(fā)展前途是不可限量的。1.1.2 中國形勢中國各大高校也紛紛加入微生物電池的潮流，其中以哈爾濱工業(yè)大學的相關研究較多且較前沿。微生物燃料電池既能

15、暫時緩解能源危機，又能在污水污泥的處理中發(fā)揮重要作用，因此它是一項綠色環(huán)保的新工藝，發(fā)展前景十分可觀。例如中國科學院成都生物研究所應用與環(huán)境微生物中心李大平研究員課題組在微生物燃料電池的產(chǎn)電機制研究方面取得突破性進展。他們發(fā)現(xiàn)在中性偏堿網(wǎng)的環(huán)境條件小，假單胞菌能夠降解有機物，同時產(chǎn)生電能。1.2 微生物燃料電池的產(chǎn)電基本原理眾所周知，微生物能夠降解有機物，伴隨物質(zhì)的轉換過程，能量也發(fā)生變化。植物儲存在體內(nèi)的能量是太陽輻射的太陽能，我們把該過程稱做光合作用。微生物將氧化還原反應產(chǎn)生的電子通過外電路傳遞到陰極上，該過程伴隨電流的產(chǎn)生，這樣的裝置稱為微生物燃料電池4。電池顧名思義就是產(chǎn)生電能的裝置，

16、微生物燃料電池自然是通過微生物是實現(xiàn)的。電池由正極和負極構成。用半透膜把反應器隔開，形成兩個小容器，這樣的稱為兩室電池，沒有存在隔膜的稱為單室電池。根據(jù)陰極和陽極有無微生物參與反應電池可以分為生物陰極、生物陽極和生物雙極。微生物新陳代謝，將有機物分解合成，此過程有電子的轉移，通過導線作用，構成回路，就能得到電流。這在本質(zhì)上是化學上的氧化還原反應。1.2.1 微生物燃料電池的種類一、直接微生物燃料電池5直接微生物燃料電池顧名思義是指電子直接傳遞，不需要介體。微生物細胞膜的成分是有機高分子不導電物質(zhì)，正是由于這些材質(zhì)所致，電子過不去。先進的微生物燃料電池一般需要導管體，導管體的導電性能對庫倫效率影

17、響很大，不過有個缺點是價格不菲。直接為生物燃料電池能夠推廣是因為各種膜材料大多都有毒且不穩(wěn)定。隨著科學的發(fā)展，近幾年，幾種具有特殊性質(zhì)的細菌被人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。沒有中間隔膜時，細菌氧化還原中的電子可以直接傳到電極上，在回路中產(chǎn)生電流。電池的發(fā)展是個怎么樣的前景，誰也說不清楚，有合適的材料，價格也合理，就會發(fā)展。沒有材料也不可能發(fā)展，這是眾所共知的。商業(yè)上的推廣盈利，電池應具備結構簡單，效率高，無污染，可循環(huán)使用等優(yōu)點。、間接微生物燃料電池間接微生物燃料電池自然跟直接電池有區(qū)別，中間有了個導體膜做輔助。電子從陰極導到陽極，電子獲得于生物新陳代謝過程中。有機物是許多科學家常用的燃料。不同種屬的微生物在

18、不同的情況下都能被用作催化劑。但是許多實際可行性太差，沒有推廣的價值。間接生物燃料電池的工作原理是污染物在胞外酶的催化下，實現(xiàn)氧化還原過程，伴隨該過程釋放的電子，在導體膜的作用下運動到正負極。1.2.2 直接微生物燃料電池的構造該電池的結構簡單與否和設計是否合理，決定了它的推廣程度。雙室型微生物燃料電池應用廣泛，有陰陽兩個級室。正極和負極并沒有相連，他們之間存在一定的距離，需要有導體協(xié)助電子走過去一一即傳過去。一、陽極和陽極室激活過程和傳遞過程是兩個重要的過程。微生物屬于哪個種屬，有什么特征，以及微生物的量的多少嚴重影響激活過程，激活過程就是通常所說的活化的程序。陽極就是電池的正極，正極電勢高

19、；陰極就是電池的負極，負極電勢低。正極和負極再加上電線構成回路，就有電流產(chǎn)生，這就成了電池，可以對外供電了。電流從正極流到負極，電子從陰極傳遞到正極。純碳及在碳電極表面修飾金屬氧化物是目前微生物燃料電池的陽極材料。將陽極分為填料型和平板式兩種是根據(jù)陽極的具體形式定義的。在容器中填點材料，就構成了新式的陽極。表面積大了，許多微生物有了附著床即生物床，它們大量繁殖，生物量多了，電子也多了，電子密度就大了，電壓也大了，電池就優(yōu)化了。用平行板也可以做成陽極，陽極有個不好的是體積太大了，占地太大，不方便。液體來來回回的流動，還需要攪拌，否則影響傳遞過程。功率密度和電流密度都可能受到嚴重影響。來回流動即對

20、流。速度梯度、分子擴散、湍流擴散等多種因素的影響流態(tài)。二、陰極和陰極室電池的陰極能夠把電子傳遞給接受電子的物質(zhì)，實現(xiàn)化學反應，其中有催化劑存在并發(fā)生關鍵作用。以產(chǎn)電密度為準繩，我們做出結論氧氣是做陰極合適的材料。這樣的電池功率密度高，電流大，效率高。三、分隔材料常用的分割材料很多，例如玻璃纖維、鹽橋、質(zhì)子膜、玻璃珠和碳紙等。然而有一部分材料效率太低，很多人不愿意使用，一點一點的退出研究領域。什么樣的材料能占得一席之地，那就是效率高，損失小。半透膜要保證陽極的真空狀態(tài)，這樣內(nèi)阻就會很小。另外，就隔膜材料而言，兩室型微生物燃料電池的構型十分的繁瑣，而一室型微生物燃料電池省略了陰極室，氧氣作為電子直

21、接受體時傳質(zhì)阻力小于兩室型微生物燃料電池。優(yōu)化陽極，陰極和隔膜材料性能，可以提高微生物燃料電池的產(chǎn)電能力。四、評價系統(tǒng)微生物燃料電池是一種通俗意義上裝置，它的用途是產(chǎn)生電能。電池的外形結構，電池的運行方式及外接電器的電壓高低是主要影響對外供電能力的因素。任何電器都不能超過最大工作電壓，負載應該有個維護的合適額定電壓。當負載電阻值過小時，電流與電壓成反比；當負載電阻值過大時，電流與電壓成反比，一大一小。要保證最優(yōu)化的電池運行效率，自然是各項指標的同時滿足最優(yōu)化的條件下，這樣才能實現(xiàn)。極化曲線是以電流為X軸，以電壓為Y軸，作圖表示二者之間的關系。人們通過大量實驗，總結出了許多評價微生物燃料電池性能

22、的參數(shù)，如電極電勢、功率、功率密度、功率曲線、庫侖效率、增值產(chǎn)率、COD和BOD濃度變化等。1.3 不同的陽極材料MFC以外形結構為依據(jù)，人們習慣分為一個室微生物電池和兩個室微生物電池。Kim7等比較了單室MFC和雙室MFC的產(chǎn)電效果。對于以厭氧污泥為活性微生物，乙醇為底物的MFC,單室的功率密度比雙室高（單室488±12mW/m2,雙室40i2mW/m2）。這是因為單室MFC無分隔材料和陰極液，內(nèi)阻較雙室小。但是單室MFC的庫侖效率（CE）比雙室低（單室10%,雙室42%-61%）。氧氣可以在陰陽極之間運動，實現(xiàn)電子的轉移。氧充足時，好氧微生物發(fā)揮作用。產(chǎn)電微生物附著的載體作為陽極

23、，能大幅度影響MFC的產(chǎn)電性能。對陽極材料的研究可以提高電池的產(chǎn)電效率，功率密度，庫倫效率。通過各種修飾作用，采用不同的炭布和各種纖維，并根據(jù)微生物的生活特性，只要能提高電量，材料易得，容易推廣，這就完成了主要的任務。高附著量，最小的損失。當前有多種材料可以作為陽極，關鍵是效果優(yōu)劣的問題。MFC陽極材料來源廣泛，許多碳材料都可以滿足條件。提高微生物燃料電池的產(chǎn)電效果可通過改善陽極材料的孔面積，也可以進行氨氣處理。將納米復合材料應用于電池的陽極，是一個新的研究領域。1.3.1 碳材料微生物燃料電池的陽極同時存在微生物和化學物質(zhì)，多種物質(zhì)發(fā)生反應其復雜性不言而喻，自然是化學燃料電池無法企及的。因此

24、，陽極材料還必須要有良好的生物適應性、優(yōu)異的導電性能、抗腐蝕性能、高比表面積和高孔隙率。網(wǎng)狀玻璃碳表面積大，可提高微生物的附著量，用作陽極。網(wǎng)狀玻璃碳是通過碳化含合成樹脂和發(fā)泡劑的聚合體得到的重要材料。因其卓越的物理結構和突出的搞機械抗力、多孔性、生物適應性和相對高的導電性而廣為人知。如果價格再合適就可以推廣。在富勒烯結構族中，圓柱形納米和碳納米管結構的碳是碳元素構成的不同單質(zhì)。在微生物燃料電池研究中，引入了碳納米管來評估其對廢水中菌群的生物兼容性和陽極表面細菌生長期的影響。表面性質(zhì)跟比表面積有很大關系。比表面積大的提高主要是為了提高吸附在電極表面的細菌密度。納米材料的研究和生產(chǎn)顯得十分的具有

25、前景。許多科學家做了相關的研究。得出的結論很多，也取得了十分可觀的進展。而且已經(jīng)應用到電池中，工作效率有所提高。碳布在氮氣的處理過程中，內(nèi)部結構中的孔徑變小，孔數(shù)增多，表面性質(zhì)發(fā)生改變，促使細菌在電極的吸附，電子在兩極間的傳遞。1.3.2 導電高聚物導電高聚物是一種新式的材料，有很多優(yōu)點。它的發(fā)展前景十分可觀。我們把具有良好導電性、穩(wěn)定性和生相容性的聚叱咯視為最新的所有導電聚合物研究中一個最具吸引力的材料。理論和實踐已經(jīng)證明，提高MFC陽極的比表面積可以提高電池的工作效率。不久前Niessen8等采用氟化聚苯胺作為陽極材料，氟化聚苯胺的使用，大大提高了電池的功率密度和電池效率。他們的研究解決了

26、催化劑中毒的問題，改善了催化效果。這種很好的材料受到人們的青睞。具優(yōu)點很多，不僅性能上效果好，價格上也很理想。1.3.3 碳納米材料/導電高聚物導電高聚物和納米材料有很好的孔隙結構，比表面積，脆度高，抗人性能好。具備了制作電極的諸多優(yōu)勢。在電極材料方面的發(fā)展是很有前途的。復合材料的性能好，所以在研究中受到青睞?？梢酝ㄟ^修飾加以改善某些性質(zhì)。它們的導電性能都很好。不容樂觀的是，有關報道稱，碳納米管具有化學毒性，可能導致抑制細胞增殖和細胞死亡。通過修飾可以降低對細胞的毒性，為材料的推廣拓寬道路。許多人已經(jīng)嘗試了用碳布附著催化劑來改善性能，取得十分可觀的結果。這種復合材料的研制大大提高MFC產(chǎn)電效率

27、9。采用納米復合材料可以作為一種高效能，低成本的陽極材料，它的應用前景令人欣喜。1.3.4 金屬和金屬涂層碳材料的各種金屬和金屬涂層10在MFC中的應用研究尚不完善。在碳布的表面上附著鐵的各種氧化物，改善了細菌的繁殖速率和代謝速率，不過沒有提高最大功率。此種電極用于雙室MFC中時，由于內(nèi)阻較高，產(chǎn)電效果并不理想，不具有可操作性和可推廣性。1.3.5 非金屬和非金屬涂層科學家們想了許多方法，試圖通過使用非金屬材料提高陽極效果。目前最成功的提高產(chǎn)電性能的方法是氨氣修飾碳布電極法110通過修飾作用，碳布的表面性質(zhì)大大改善，從而提高了導電性能。1.4 課題研究的主要內(nèi)容本研究以單極室MFC反應器構型為

28、基礎，研究不同陽極材料對其產(chǎn)電性能的影響。主要研究內(nèi)容包括：陽極材料的比較主要是考察幾種新型陽極材料應用于MFC的產(chǎn)電效率。通過電池電位、陽極電位、庫侖效率、電流密度和功率密度等運行參數(shù)，比較不同陽極材料的MFC產(chǎn)電效果。以碳布陽極的MFC運行效果為對照，選擇效果最佳的陽極材料做進一步研究。1.5 課題研究的目的和意義現(xiàn)在的MFC不太實用，效率太低，根本無法跟其他電池相媲美，因此商業(yè)上的優(yōu)勢更是無存談起。如何提高產(chǎn)電能力關乎MFC的興衰成敗。因此現(xiàn)階段和今后的一段時間努力改善陽極的比表面積，提高MFC的產(chǎn)點效率是主要的任務。本課題的陰極是空氣型的，主要探討不同陽極材料對MFC產(chǎn)電效率的影響。1

29、.5.1 課題研究的目的本課題的研究目的是通過在陽極負載不同的炭材料，增大MFC陽極的比表面積，進而提高生物膜的面積，增加生物量，達到較其他形式的MFC獲得更大的電流密度的效果，從而提高反應器效率，搜索出新一點的制作流程和技術。考察幾種不同的陽極材料，分別測定他們的性能，比較篩選。選出適宜做陽極的材料。1.5.2 課題研究的意義用石墨顆粒填充時，顆粒間的接觸也成了制約反應器效果的因素之一。相對于石墨棒、石墨顆粒等石墨材料，雖然石墨氈的比表面積較大，同時也獲得了較大的電流密度，但是其價格也要相對貴一些。為了獲得更高的產(chǎn)電效率、更好的將MFC應用于實際工程中，選擇出具有低內(nèi)阻、高機械強度、高比表面

30、積以及廉價的陽陽極材料具有十分重要的意義。當前，能源危機不斷加劇，化石能源的耗竭，給研究領域提供了很多方向。爭取研究綠色能源，緩解能源危機。272.實驗材料與方法2.1MFC的實驗藥品和實驗儀器2.1.1實驗藥品實驗用藥品如表2-1所小。表2-1實驗藥品名稱分析純碳布無丙酮溶液分析純鉗碳石墨FQ/C-JFe3O4/C-PFe3O4/C-YK重銘酸鉀化學純化學純實驗室自行制備的樣品實驗室自行制備的樣品實驗室自行制備的樣品分析純濃硫酸分析純硫酸汞分析純2.1.2實驗儀器實驗用儀器如表2-2所示。表2-2實驗儀器名稱型號多功能消解器萬能表玻璃制作單極室測定電壓-電流曲線電腦系統(tǒng)SB3150BDT92

31、0無蘋果測定庫倫效率電腦系統(tǒng)聯(lián)想馬弗爐KSN冰箱海爾超聲波清洗器YQ-250B2.1.3實驗裝置本實驗應用的是無膜無介體單室直接微生物燃料電池反應器，該電池主體由有機玻璃制成，為圓柱狀，長4cm,直徑3cm,有效容積28mL,如圖2-1所示，主要由陰極和單室、陰極、陽極、葡萄糖培養(yǎng)液構成，污水從反應器頂部注入、排出。圖中所示的反應器的左側為陽極端，右側為陰極端，通過導線連接使之與外電路連通，電子得以傳遞到陰極從而與質(zhì)子結合生成水。圖2-1裝置圖2.2性能的測試和分析方法MFC技術首先涉及電化學領域，但是由于陽極使用的是活體微生物，它又不同于傳統(tǒng)的化學燃料電池，在電化學測試方法上也有一定的特殊性

32、。下面從陽極材料的表征、極化曲線和功率密度曲線的獲得、循環(huán)伏安和交流阻抗的測試等方面詳細介紹本論文中涉及的電化學方法、化學表征方法。2.2.1 廣角X射線粉末衍射（XRDXRD是研究物質(zhì)晶相組成與結構的強有力的表征手段。XRD12利用衍射峰的位置可以決定晶胞的形狀和大小，粒子的表面積，以及品格常數(shù)等。本論文中所用的廣角X射線粉末衍射（XRD）儀器型號為日本理學公司生產(chǎn)的RigakuD/max-IIIB型X-射線衍射儀。測試條件如下：CuKx（入=1.5406?,管電壓為40kV,管電流為20mA,掃描速度為8o/min。2.2.2 LSV的電化學測定LSV是一種測定極化曲線的方法。測定指標設定

33、如下：掃描范圍：+0.4v-0.3v掃描速率：1mv/s,3次/樣；參比電極：綠色電極；工作電極：黑色電極；對電極：紅色電極。2.2.3 庫侖效率和電流密度的測定一、庫侖效率的計算方法庫侖效率13,即回收的電子與有機物質(zhì)能提供的電子總數(shù)的比值。庫侖效率代表一定時間內(nèi)，底物能提供的總電子數(shù)中用于電能輸出的百分數(shù)。庫侖效率一般用CE表(2-1)CE=Cr/CsX100%式中：Cr外凈電量Cs底物電子轉移數(shù)TC=E/RdtQ(2-2)式中：T單個周期時間E外接電壓R負載電阻Cs=FbesV"c/Msi4(2-3)式中：F法拉第常數(shù)(96485C/mol)b完全氧化乙酸鹽產(chǎn)生的電子數(shù)(8mo

34、le7mol)VAn反應器液體體積c每一周期底物濃度的變化值Ms底物的摩爾質(zhì)量二、產(chǎn)電表征量的計算公式電流密度i=E/RA(2-4)功率密度P=iE(2-5)式中：A為電極面積，這里采用陰極有效面積(7cm2)2.2.4 極化曲線和比表面積的測定一、極化曲線15是分析和描述電池特性的重要手段。極化曲線用來表示電流與電壓的關系，改變電路的外阻值，得到相應的電壓以及該阻值下的電流。測量時，外負載從開路狀態(tài)開始有規(guī)律的減小(或者從短路開始增加)，可以得到一組有規(guī)律的電壓數(shù)據(jù)。之后，基于歐姆定律I=E/Rext可以得到當前電流的有關特性，電流密度何等于電流除以電極面積。為了測定反應器體系的各個部分的產(chǎn)

35、電性能，以參比電極做陽極，陰極或者整個體系的對照。當利用外部可變電阻測定極化曲線時，電流與電位值必須處于穩(wěn)定的狀態(tài)下測定。一般這種穩(wěn)定狀態(tài)會在10分鐘左右出現(xiàn)，不同的電腦測定系統(tǒng)穩(wěn)定的時間一般不同。假如長時間處于同一外電阻工作運行狀態(tài)下，就會破壞穩(wěn)態(tài)，這樣測得的數(shù)據(jù)沒有什么價值。二、本實驗采用氣體吸附17(BET)法測定不同陽極材料的比表面積。很多人都用過氣體吸附法。有關吸附法的精確定義可參考文獻或者百度。這里僅作簡要概括：特定的壓力下，以某種固體表面的吸附平衡量為表征量。通過各種需要的模型，利用平衡量求出固體材料的比表面積。氮氣有很多優(yōu)點，來源簡單和廣泛，平衡吸附性能好，基本上所有的實驗人員

36、都很青睞它。本論文所使用的N2吸附-脫附等溫線的測定(BET)儀器型號為Micromeriticstrument公司生產(chǎn)的TriStarR全自動分析儀測定樣品的比表面積和孔徑分布。測試是在液氮溫度(77K)進行的，測試前樣品經(jīng)過433K熱處理8h以上。2.2.5 循環(huán)伏安曲線和功率曲線的測定循環(huán)伏安法18(cyclicvoltammetry)利用反復掃描，將電壓和電流的關系通過圖的形式表現(xiàn)出來，直觀的反映了電池的性能，從而形成循環(huán)式的掃描狀態(tài)。測試時采用三電極體系19,為了研究陽極的工作狀態(tài)，故陽極為工作電極，對電極為Ag/AgCl,陰極為參比電極。設定一定的掃描速率。從陽極原電勢出發(fā)的過程中

37、出現(xiàn)峰的位置為陽極發(fā)生氧化反應的電位，反向掃描過程中出現(xiàn)峰的位置為發(fā)生還原反應的電位。從極化曲線中我們可以繪制出功率密度曲線，功率曲線是不同電流密度下對應的功率密度曲線。系統(tǒng)開路狀態(tài)下沒有電流，功率輸出為零，從此點出發(fā)功率密度隨電流密度的增加而增加，一直達到峰值。3.不同陽極材料對產(chǎn)電效果的影響本章主要是探討不同材料制作的陽極材料，并表征它們的各種物理性質(zhì)，化學性質(zhì)。然后構建成合適的微生物單極室燃料電池，待電池穩(wěn)定運行后，測定各種表征電流大小，穩(wěn)定程度的物理量。3.1 實驗中所用陽極材料的性質(zhì)分析3.1.1 FqOJC-J的性質(zhì)分析2Theta(deg)圖3-1不同炭化溫度Fe3O/C-J的物

38、相組成（XRD分析表征晶體材料組成的有效且常用的手段是XRD。我們將復合物Fe3O4/C-J在不同溫度下碳化的產(chǎn)物進行了XRD表征，目的是為了研究產(chǎn)物的晶相轉變特性。圖3-1為復合物Fe3O4/C-J在不同碳化溫度下碳化產(chǎn)物的XRD譜圖。我們直觀的從上圖得到信息：Fe3O4的衍射峰隨著碳化溫度從900c升高到1050c而逐漸增強。當碳化溫度升高至1000c時，鐵物種以o-Fe、FesO4相存在，說明Fe3O4/C-J中Fe部分轉化為o-Fe。a-Fe衍射峰強度最強發(fā)生在碳化溫度增加到1050c時。另外，從XRD圖中可以看出，鐵的催化作用使分解的碳石墨化可以看出當碳化溫度為900C時就開始有石墨

39、生成了。其中，隨著碳化溫度的升高，在28=26.2處歸屬于石墨（002）晶面的衍射峰有增強的趨勢，說明石墨化程度逐漸增加。因此，在碳化溫度升高的過程中，鐵相經(jīng)歷了Fe3O4向a-Fe轉化，最終以混合相Fe3O4和eFe形式存在。o20J g3 mrrdeDrhsdAwytnauQ80604020g So /ke mMHnv GT ar1J rO0.0320.0240.0160.008dV/dlog(D)|60<|。 )g mrre mMrov«FOP1- 3Pore Diameter (nm)0-50-M00-'150 ' 200NI""_

40、N 2 Adsorption and desorption I100 . /|uIItitiH0.00.81.0Relative Pressure (P/ P0)270040200dV/dlog(D)Pore Diameter (nm)一 一 N2 Adsorption and desorption1 / iiii】i.I,0.00.81.0Relative Pressure (P/ P0)0.00.81.00.00.81.0RelativePressure(P/P0)RelativePressure(P/P0)圖3-2不

41、同炭化溫度得到的Fe3O/C-J的N2吸附-脫附和孔徑分布圖(A-800C,B-950C,C-1000C,D-1050C)Fe3O4/C-J復合材料樣品的N2吸附/脫附等溫線及BJH孔徑分布曲線見圖3-3。從圖3-3可以清晰地看出，所有樣品都具有與IV類吸咐等溫線相似的曲線形狀，且均呈現(xiàn)較為明顯的Hl型遲滯環(huán)，說明Fe3O4/C-J復合材料具有類似介孔材料的吸附特征。在相對壓力為0.4VP/P。0.7之間等溫線有明顯的變化，這是因為N2分子在秸稈炭的孔隙中發(fā)生毛細作用和凝聚現(xiàn)象所產(chǎn)生的，等溫線中的N2吸附/脫附的曲線走勢較為陡峭，說明此秸稈炭復合材料具有不是十分規(guī)則的介孔結構，孔徑可能大部分位

42、于2-50nm之間。溫度變化對N2吸附/脫附等溫線及孔徑分布曲線影響較大，這是由于在不同溫度下，碳材料機體被負載納米晶體侵入后，導致了無定形碳原子的排列而使Fe3O4/C-J產(chǎn)生了不同程度的結構收縮。o 48TEBsm«Ra OTOPeaflreva nntnrosaA umJB42o54o5o o 5 24 4o o 9 63 3o o o diTemperature（C）圖3-3不同炭化溫度得到的Fe3O4/C-J的比表面積（Sbet）和BJH平均孔徑分布分析分析：由圖中可以得到樣品Fe3O4/C-J-900、Fe3O4/C-J-950、Fe3O4/C-J-1000、Fe3O4/

43、C-J-1050的比表面積分別為390m2/g、400m2/g、480m2/g、370m2/g,BJH吸附平均孔徑分別為12.5nm、12.1nm、11.4nm和10.8nm,易知Fe3O4/C炭最佳的Sbet為900c的樣品，實驗中將選用Fe3O4/C-J-9000的樣品為MFC的陽極材料。這種大比表面積的材料，在很多領域（如污染物吸附、特殊物質(zhì)的提純與磁性分離、電極材料等）都將有重要的應用。3.1.2 Fe3O4/C-P的性質(zhì)分析950 c n1000 C1050 C2030405060900 c702Theta(deg)圖3-4不同炭化溫度Fe3O/C-P的物相組成（XRD分析我們利用X

44、射線衍射來研究碳納米材料的內(nèi)部結構和石墨化程度。經(jīng)過計算機的到某種物質(zhì)的圖譜，圖譜中的衍射峰和石墨化程度成正相關。石墨化描述的是晶型的轉變程序和階段。但是該過程中阻力很大，而且亞穩(wěn)態(tài)的形成將阻礙石墨化的進行。圖3-4是Fe3O4/C-P在不同溫度下的石墨化程度的圖。通過改變溫度來測定它的石墨化程度。由圖可以看出Fe3O4的特征峰的變化不明顯，在950c時，特征峰最強，可知在該溫度下，石墨化程度最大。石墨化溫度是催化石墨化的一個重要因素，石墨化程度越高,晶型排列越整齊，比表面積也越大。0.0200 mTdARKSdA WWKlnauQ0.0150.010500.2dV/dlog(D)100150

45、200Pore Diameter (nm)N Adsorption and desorption1.0Relative Pressure (P/ P0)3202802402001601200.00.81.0Relative Pressure (P/ P )g rnTe mov «php1- 30.027 6 o o o o5 4 30 0 0000Pore Diameter (nm) N2 Adsorption and desorption 13 mvLaenrocauA v,frhau Q0.0140.0120.0100.008C N 2 Ads

46、orption and desorptiong m Grxe mMTO V erop,-I-80502090-mcLaARrnsaA ylnauQ0.0090.0080.0070.0060.005DN Adsorption and desorptiong m F e muLU V ATOP -Pore Diameter (nm)RelativePressure(P/P0)RelativePressure(P/Pq)圖3-5不同炭化溫度得到的Fe3Q/C-P的N2吸附-脫附和孔徑分布圖(A-800C,B-950C,C-1000C,D-1050C)純凈的Fe3O4磁性納米粒子表面性質(zhì)優(yōu)異，由于這些

47、性質(zhì)，他們聚集在一塊，半徑增大，孔隙增多，比表面積增大不少。不同溫度下，吸附、脫附等溫線變化很大，是由表面積的改變所致。溫度的變化改變了晶體的存在狀態(tài)，表面性質(zhì)發(fā)生變化。由圖3-6中可以得到樣品F63O4/C-P-900、Fe3O4/C-P-950、Fe3O4/C-P-1000、Fe3O4/C-P-1050的比表面積分別為480m2/g、545m2/g、390m2/g、280m2/g,BJH吸附平均孔徑分別為10.4nm、10.5nm、9.8nm、8.6nm。006TEB2Pso219480405o o2 64 3o o o0 4 83 2 1009950o00050CarbonizedTem

48、peraute(C)圖3-6不同炭化溫度得到的F&O/C-P的比表面積(Sbet)和BJH平均孔徑分布分析3.1.3 Fe3O4/C-YK的性質(zhì)分析2Theta(deg)圖3-7不同炭化溫度Fe3O/C-YK的物相組成(XRD分析金屬粒子的沉積狀態(tài)是由載體的表面性質(zhì)決定的，研究載體的表面化學結構對金屬復合材料有重要作用。圖3-7是Fe3O4/C-YK在不同的溫度下晶型變化的XRD圖譜。我們觀察到在800c時衍射峰最強，說明在復合材料中磁性粒子的結晶化程度最高。隨著溫度升高，生成Fe3O4的衍射峰的強度逐漸減弱。當碳化溫度升高至1050c時，衍射峰最弱，說明該溫度下磁性粒子的結晶化程度最

49、低。50Jlg3 mrrdeposa A wvrlnau Q209060g3 me (e mzxovpB1801)150-g3 m120906030 N 2 Adsorption and desorption0.00.81.0Relative Pressure (P/ P )ylnauQ201 1Pore Diameter (nm)gs mcldARKSd A WW4L nHa u Q1- 2_ 此 Adsorption and desorption0.00.81.0Relative Pressure (P)g3 rncrxe m Ho verar,g3 m

50、claehrbsaAV-rtnauQ一 一 N? Adsorption and desorption0.00.81.0Relative Pressure (P/ P0)9 mer's mulov ATOP1- 30.0250.0200.0150.010Pore Diameter (nm) N2 Adsorption and desorption0.00.81.0Relative Pressure (P/Pq)320)g mev e mMMbv amp1 - 30.0300.0240.0180.012Pore Diameter (nm)1N2 Adso

51、rption and desorptio"0.00.81.0Relative Pressure (PPJ0.035Jr- 00 mEV e mMro V ATOP0.0300.0250.0200.015050100150200Pore Diameter (nm) N Adsorption and desorption0.00.81.0Relative Pressure (P / P。)圖3-8不同炭化溫度得到的Fe3Q/C-YK的N2吸附-脫附和孔徑分布圖(A-800C,B-850C,C-900C,D-950C,E-1000C,F-1050C)Fe

52、3O4/C-YK復合材料樣品的N2吸附/脫附等溫線及孔徑分布曲線見圖3-9。由圖可見，隨著溫度的變化，N2吸附/脫附等溫線和孔徑分布曲線變化幅度較大。因為在不同地溫度下，衍射峰的強弱不同，即石墨化程度不同，晶型整齊度不同，從而導致材料的比表面積不同。由圖3-9中可以得到樣品Fe3O4/C-YK-800、Fe3O4/C-YK-850、Fe3O4/C-YK-900、2Fe3O4/C-YK-950、Fe3O4/C-YK-1000、Fe3O4/C-YK1050的比表面積分別為172m/g、226m2/g、450m2/g、454m2/g、430m2/g、352m2/g。BJH吸附平均孔徑分別為6.5nm

53、、7.3nm、7.1nm、6.8nm、7.2nm、7.8nm。各物質(zhì)孔徑數(shù)和比表面積數(shù)如上列出，綜合比較可得，樣品Fe3O4/C-YK-1000性質(zhì)優(yōu)異，做下一步陽極材料處理rnRa aropeasreva nHwtnrKsdA HJ8.0 ) m7.57.06.56.080085090095010001050Carbonized Temperaute ( )o O45TEB圖3-9不同炭化溫度得到的Fe3O4/C-YK的比表面積(Sbet)和BJH平均孔徑分布分析3.2電極電位極化曲線與伏安曲線在本質(zhì)上都表示電壓和電流的關系。具體做法：通過電腦系統(tǒng)測定穩(wěn)定狀態(tài)下，一系列電壓和電流的對應數(shù)值，

54、并做出電壓和電流間的關系圖。該曲線可以用來描述和評價微生物燃料電池的性能，而且還可以得出電極電勢和電流密度的相互關系。3.2.1 鉗電極的電壓-電流關系柏與椰殼碳1,秸稈碳2,石墨碳3按一定比例混合的電壓電流關系電壓-電流0.00980.00780.00580.00380.0018-0.0002-0.0022-0.0042-300-100100300500電流* 椰殼碳與伯秸稈碳與伯 石墨碳與鉗圖3-10電壓-電流關系圖由圖3-10可以看出，三種鋁碳混合物的電壓電流關系具有相似性，但椰殼炭混合物的曲線相比較而言較好，所以做陽極材料時，我們選擇鋁與椰殼炭制作材料。電流密度和功率密度的提高跟所選用

55、的材料有莫大的關系。電池的成敗材料是關鍵。盡可能減小損失，增大電流這個中心不能動搖。3.2.2 鐵電極的電壓-電流關系鐵與椰殼碳1,秸稈碳2,石墨碳3三種碳按比例混合的電壓電流關系電壓-電流椰殼碳與鐵秸稈碳與鐵 石墨碳與鐵圖3-11電壓-電流關系圖由圖3-11可以看出，三種鐵碳混合物的電壓電流關系具有相似性，但椰殼炭混合物的曲線相比較而言較好，所以做陽極材料時，我們選擇鐵與椰殼碳制作材料。這種材料可以減小活化損失和傳質(zhì)損失，從而測得較高的電流密度，功率密度，增大微生物燃料電池的電流。從陰陽極材料的角度去提高產(chǎn)電效率。綜上所述，珀與椰殼炭，鐵與椰殼炭的混合物具有很好的提高電池效率的作用，因此可以用來做陽極材料。結論本課題主要探討研究不同陽極材料的單極室微生物燃料電池(MF