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微生物燃料电池及介孔磷酸锆阳极材料的电化学研究

作　者: 张领艳
导　师: 于志辉
学　校: 北京工业大学
专　业: 环境科学与工程
关键词: 微生物燃料电池 空气阴极 功率密度 磷酸锆 葡萄糖氧化酶
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


目前污水处理仍是一种消耗大量电能的处理技术,因此解决污水处理工程中的耗能问题,降低治污成本,对于广大污染严重的发展中国家来说尤为重要。微生物燃料电池能降低污水COD并且能产生电能,因而成为环境与新能源方面研究的热点。但由于产电性能低,电池内阻大以及受结构设计的限制使得微生物燃料电池不能适应大规模的污水处理。制约微生物燃料电池输出功率的最大因素是发生在阳极上的电子传递过程。在微生物燃料电池最新的研究中,采用对微生物酶分子的蛋白质外壳进行修饰,将电极延伸至酶分子活性中心附近,以缩短电子传递的距离。随着纳米科学和技术的发展,研究者们发现一些纳米材料在微生物或酶的强化稳定和活化方面表现出了很大的潜力。磷酸锆(ZrP)类材料是近年逐步发展起来的一类多功能材料,具有良好的生物相容性,但磷酸锆的导电性能差限制了其作为阳极材料在燃料电池中的应用。本论文研究的单室空气阴极微生物燃料电池(ACMFC),以石墨毡为阳极,Pt/C(铂/碳纸)为阴极,以空气中的氧为最终电子受体,简化了微生物燃料电池的装置,降低了电池内阻;阳极室采用开放式,不对阳极室通厌氧气体,降低了运行成本;论文研究了装置内流体条件、葡萄糖底物浓度等条件对电池产电性能的影响并评价污水处理效果。测试结果表明最佳水流流速为15.0 mL/min、最适葡萄糖底物的浓度为1.0 g/L,电池的最大功率为90.2 mW/m2。电池运行48 h,对模拟废水的COD去除率可达到81.6 %。论文第三章分别以表面活性剂及XC-72为模板,磷酸为沉淀剂,通过调节磷酸的量采用水热法合成不同形貌的磷酸锆及ZrP/XC-72复合物。测试结果表明当磷酸的量大于2.4 mol/L时,可以合成厚度为5 nm~10 nm,大小200 nm~300 nm的六方形片状磷酸锆。当磷酸的量为1.2 mol/L时,可以合成具有3 nm介孔结构的无定形磷酸锆。对比片状磷酸锆、介孔磷酸锆及ZrP/XC-72复合物负载葡萄糖氧化酶的电化学性能,测试结果得到电子传递速率分别为1.3 s-1,1.6 s-1,2.0 s-1(扫速为100 mV/s),表明介孔结构比片状结构负载酶的效果好,而ZrP/XC-72复合物负载酶能明显提高电子传递速率。三种材料制备的电极表观负载酶的浓度分别为1.4×10-10 mol/cm2、6.6×10-11 mol/cm2、1.8×10-10 mol/cm2(扫速为100 mV/s),比文献报道的大1~2个数量级。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 生物燃料电池简介  10-11
    1.1.1 微生物燃料电池  10-11
    1.1.2 酶燃料电池  11
  1.2 纳米材料在燃料电池中的应用概述  11-16
    1.2.1 纳米材料  12-13
    1.2.2 介孔材料  13-14
    1.2.3 磷酸锆化合物材料  14
    1.2.4 ZrP/GOD/GC 电极的电化学测试  14-16
  1.3 论文选题依据和主要研究内容  16-18
第2章 微生物燃料电池的性能研究  18-32
  2.1 引言  18-20
  2.2 实验部分  20-25
    2.2.1 实验装置  20-22
    2.2.2 试剂及仪器  22-23
    2.2.3 溶液的配制  23-24
    2.2.4 电极制备  24
    2.2.5 性能测试  24-25
  2.3 结果与讨论  25-31
    2.3.1 电池的启动与运行对产电性能的影响  25-26
    2.3.2 水流流速对电池产电性能的影响  26-28
    2.3.3 阴极面积对电池产电性能的影响  28-29
    2.3.4 葡萄糖底物浓度对电池产电性能的影响  29-30
    2.3.5 最佳工作条件下电池的产电性能  30
    2.3.6 污水处理性能评价  30-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章 介孔磷酸锆的合成及电化学性能研究  32-58
  3.1 引言  32-33
  3.2 实验部分  33-36
    3.2.1 实验仪器及试剂  33-34
    3.2.2 磷酸锆材料的合成  34-35
    3.2.3 ZrP/GOD/GC 电极的制备  35-36
    3.2.4 电化学性能测试  36
  3.3 结果与讨论  36-56
    3.3.1 不同表面活性剂类型及浓度制备介孔磷酸锆  36-47
    3.3.2 不同量沉淀剂制备介孔磷酸锆  47-51
    3.3.3 XC-72 硬模板制备介孔磷酸锆  51-56
  3.4 本章小结  56-58
结论  58-60
参考文献  60-66
读硕士学位期间所发表的学术论文  66-67
致谢  67

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 化学电源、电池、燃料电池 > 燃料电池
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