论文部分内容阅读
近年来，随着能源短缺和环境污染这些问题的不断呈现，研发新型能源技术成为解决问题的关键。微生物燃料电池（microbial fuel cell, MFC）是利用微生物分解有机物获得电能的新方法，也是净化废水最简单易行的方法，近几年来微生物燃料电池的研究得到了比较快速的发展，但离实际应用仍然有一定距离。MFC中有可能在短期内投入实际应用的是海底沉积型微生物燃料电池(benthic microbial fuel cell, BMFC)，它是通过微生物分解海泥中的有机物进行产电的装置。由于其原料来源丰富、构型简单、产电效率高受到了越来越多研究者的关注，如何进一步提高其产电效率使之实海应用成为目前的研究重点。本文分别研究了BMFC的阴极和阳极来提高其功率密度，主要研究内容与结论如下：（1）BMFC的电极性能受比表面积的影响较大，目前阴极材料通常采用聚丙烯腈基碳纤维（CF-P），而黏胶基碳纤维（CF-R）的比表面积相对较大，强度较弱。本文对这两种碳纤维进行热处理得到改性碳纤维（CF-P-H和CF-R-H），并对比了CF-P、CF-R、CF-P-H和CF-R-H作BMFC阴极时电池的性能。结果表明：CF-R-H的比表面积最大，达到644m2·g-1，且其作为阴极时的抗极化能力较其他三种阴极更强，电池的输出功率密度也最大，达到112.4mW·m-2，分析原因是热处理过程使碳纤维比表面积增大，并在其表面形成醌类化合物，两者的协同作用共同增强了阴极氧气的还原速率，从而提高电池性能。（2）BMFC实海应用时阴极漂浮在海水中，海洋中的藻类会附着在表面降低其性能，为避免这一现象，本文采用聚四氟乙烯（PTFE）对碳纤维阴极进行疏水改性。结果表明：经PTFE改性后，碳纤维的接触角增大，疏水性增强，且疏水性随着PTFE乳液浓度的增加而增强，疏水性增强直接使生物附着量减少，15%、30%、45%浓度的PTFE改性后的碳纤维作为BMFC阴极时电池输出功率密度有所下降，这是由于PTFE是绝缘性物质，当其包覆在碳纤维表面时会使电极的电阻增大，60%的PTFE改性后的碳纤维作为阴极时电池的输出功率密度较空白组有所提升，分析原因是PTFE在电极表面形成了气体扩散层，有利于氧气和水进入到电极上，增强了阴极性能。（3）BMFC阳极方面，本文采用金属镁、铝作为阳极来提高输出功率密度，并对比了金属作阳极时海泥电池和海水电池的性能。结果表明：海泥电池的输出功率密度略低于海水电池，但是金属阳极在海泥电池中的腐蚀速率低于在海水电池中，用镁作阳极的电池电压和输出功率密度均高于用铝作为阳极的电池，本文还利用金属阳极和热处理后的黏胶基碳纤维阴极组成的海泥电池结合升压器件成功驱动了海洋常用仪器-温深仪，在均能驱动仪器的情况下，海泥电池比海水电池的使用寿命更长，更适合在海洋中长期应用，这些研究为海泥电池走向实海应用奠定了理论基础。