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微生物燃料电池阴极材料的制备及其产电性能研究

作　者: 陆金丹
导　师: 杨晓玲；吴生
学　校: 华东理工大学
专　业: 材料工程
关键词: 微生物燃料电池树状大分子封装铂二硫铜铟微球功率密度
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

微牛物燃料电池(MFCs)是一种环境友好的生物产电技术,能利用微生物将有机底物中的化学能通过电化学反应直接转换为电能,具有原料广泛充足,操作条件温和,清洁环保等特点,在缓解能源短缺和环境问题方面具有巨大潜力。但是MFCs仍存在不稳定、效率不高、输出功率低、成本昂贵等问题,阻碍了其进一步发展。本文针对MFCs输出功率低、成本高等问题,先后制备了两种类型的阴极材料,同时相对应地改变了电池构型,设计和搭建实验室平台,并从材料性能,输出功率和运行情况等方面对MFCs体系的产电性能进行对比研究,进而对影响电池产电性能的因素进行分析和优化。论文的研究内容主要包括以下几个部分：1、使用发散法制备了4.0代树状大分子,通过季胺化反应得到表面带正电荷的部分季胺化树状大分子,并且以此为模板,通过硼氢化钠还原制备出尺寸均一,粒径约为4 nm的树状大分子封装的铂纳米粒子(Pt-DENs)。同时,通过简单的电沉积法,在三电极体系下,以碳纸为工作电极,沉积得到颗粒均匀,尺寸在300 nm左右,且分散性良好的电沉积铂纳米粒子(electro-deposition Pt)。2、本文构建了简单的空气阴极单室微生物燃料电池体系,比对Pt-DENs和electro-deposition Pt的时间-电压曲线,极化曲线和功率密度曲线,得出最优的MFC产电性能。Pt-DENs作为MFC阴极催化剂时,电池最大功率密度达到630 mW/m2,开路电压为0.5 V,且铂负载量少(0.1 mg/cm2)。因此,树状大分子封装的铂,用量少,催化性能好,作为MFCs的阴极催化剂具有很大的潜力和发展空间。3、用简单的溶剂热法合成了二硫铜铟半导体微球,将其作为微生物燃料电池的阴极材料,在光的协助下筑建了双室MFC体系。EDS与ICP-AES显示了合成的CuInS2组分中铟过量；XRD说明了CuInS2为黄铜矿结构；SEM图显示CuInS2为花片状微球,且尺寸均一,分散均匀；循环伏安曲线CV显示了其氧化电势和还原电势分别为1.2 V和-0.7 V；电化学阻抗谱EIS导出的莫顿肖特基曲线(Mott-Schottky)证实了CuInS2为n型半导体；时间-电压曲线显示了其产生的电压最终稳定在0.55 V左右：极化和功率密度曲线显示了其开路电压为0.69 V,最高功率密度为1640 mW/m2,电流密度为17600mA/m2。CuInS2作为MFC阴极材料,廉价易得,高效环保,扩宽了MFCs在能源转换和环境问题上的应用,为微生物燃料电池的进一步发展开辟了新的思路和方法。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-28
  1.1 微生物燃料电池概述  10-14
    1.1.1 微生物燃料电池的发展历程  11
    1.1.2 微生物燃料电池的分类  11-12
    1.1.3 微生物燃料电池的工作原理和特点  12-14
    1.1.4 微生物燃料电池的应用前景  14
  1.2 微生物燃料电池的性能参数  14-17
    1.2.1 开路电压、极化和功率密度曲线  15-16
    1.2.2 库伦效率和能量效率  16-17
  1.3 微生物燃料电池研究进展  17-23
    1.3.1 产电微生物  17-18
    1.3.2 阳极材料  18-19
    1.3.3 阴极材料和催化剂  19-20
    1.3.4 扩散层  20
    1.3.5 膜和分隔物  20-21
    1.3.6 MFC电池构型  21-23
  1.4 微生物燃料电池面临的问题及解决方法  23-26
    1.4.1 树状大分子的应用  24-25
    1.4.2 电沉积  25
    1.4.3 二硫铜铟半导体材料的应用  25-26
  1.5 本文研究思路和主要内容  26-28
第2章 Pt-DENs和Electro-deposition Pt的制备及电化学性能研究  28-35
  2.1 引言  28-30
  2.2 实验部分  30-32
    2.2.1 主要试剂和仪器  30-31
    2.2.2 Pt-DENs的制备  31
    2.2.3 Electro-deposition Pt的制备  31-32
  2.3 结果与讨论  32-34
    2.3.1 Pt-DENs和Electro-deposition Pt的形貌与表征  32-33
    2.3.2 Pt-DENs和Electro-deposition Pt的电化学测试  33-34
  2.4 本章小结  34-35
第3章空气阴极单室微生物燃料电池产电性能  35-45
  3.1 引言  35
  3.2 实验部分  35-40
    3.2.1 主要原料和仪器  35-36
    3.2.2 单室微生物燃料电池的构建  36-40
  3.3 结果与讨论  40-44
    3.3.1 碳纸上Pt-DENs和Electro-deposition Pt的含量  40
    3.3.2 Pt-DENs和Electro-deposition Pt作为催化剂时MFC的时间-电压曲线  40-42
    3.3.3 Pt-DENs和Electro-deposition Pt作为催化剂时MFC极化和功率密度曲线  42-44
    3.3.4 圆柱型和平板式MFC构型的产电性能的对比  44
  3.4 本章小结  44-45
第4章二硫铜铟光阴极微生物燃料电池  45-56
  4.1 引言  45-46
  4.2 实验部分  46-48
    4.2.1 主要原料和仪器  46-47
    4.2.2 双室CuInS_2光阴极微生物燃料电池的构建  47-48
  4.3 结果与讨论  48-54
    4.3.1 CuInS_2的XRD表征  48-49
    4.3.2 CuInS_2的SEM表征  49
    4.3.3 CuInS_2光阴极材料的电化学分析  49-52
    4.3.4 CuInS_2光阴极MFC的时间-电压曲线  52-53
    4.3.5 CuInS_2光阴极MFC的极化和功率密度曲线  53-54
  4.4 本章小结  54-56
第5章全文总结和课题延伸  56-58
  5.1 全文总结  56-57
  5.2 前景和展望  57-58
参考文献  58-66
致谢  66-67
攻读硕士学位期间发表论文及待发表论文  67

微生物燃料电池阴极材料的制备及其产电性能研究

内容摘要

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