功能化碳納米管及聚苯胺基改性陽(yáng)極在海底生物燃料電池中的性能研究.pdf

1、微生物燃料電池(MFC)是一種新型電池,它依靠微生物自身的新陳代謝作用消耗分解有機(jī)物,將部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。而沉積物微生物燃料電池(SMFC)是 MFC中的一種類型,其產(chǎn)電方式是:利用置于沉積物層中的陽(yáng)極導(dǎo)出微生物代謝有機(jī)物等物質(zhì)產(chǎn)生的電子,經(jīng)外電路傳遞至陰極發(fā)生氧氣的還原反應(yīng),形成閉合回路而產(chǎn)生電能。SMFC為開發(fā)和利用廣闊的海底沉積層提供了一種全新的方式,同時(shí)其簡(jiǎn)單的電池構(gòu)型和環(huán)境的友好性,使此類電池得到相關(guān)領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注

2、。
　　目前,SMFC輸出能量偏低的缺陷制了它在實(shí)際中的應(yīng)用,其中陽(yáng)極表面與微生物之間較低的電子傳遞效率是導(dǎo)致電池性能差的關(guān)鍵原因,因此提高并改進(jìn)陽(yáng)極的性能成為目前許多人的研究焦點(diǎn)。本文著重探討了不同復(fù)合材料改性陽(yáng)極對(duì)SMFC性能的影響,為SMFC的實(shí)際應(yīng)用提供了更多的理論依據(jù),主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下:
　　(1)利用熱解合成的FePc/MWCNTs復(fù)合物制備新型FePc/MWCNTs改性陽(yáng)極。研究結(jié)果表明:改性后,陽(yáng)極的交

3、換電流密度i0明顯提高,改善了陽(yáng)極的動(dòng)力學(xué)活性;改性陽(yáng)極的電極電位降至-0.535 V,比未改性的降低23％;使用改性陽(yáng)極構(gòu)建的SMFC,電池最大功率密度為572.3 mWm-2,是未改性的2.6倍。最后,利用復(fù)合物與細(xì)胞色素C間形成的氫鍵、空間取向效應(yīng)以及Fe(III)\Fe(II)電子對(duì)的協(xié)同作用的機(jī)理,在分子層面上解釋了復(fù)合物能夠提高 SMFC性能的內(nèi)在原因。
　　(2)利用電化學(xué)聚合法在電極表面沉積導(dǎo)電復(fù)合物MWCNTs/

4、PANI,并以該改性電極作 SMFC的陽(yáng)極。研究結(jié)果表明:電沉積后,電極表面附著大量導(dǎo)電型聚苯胺,表面電容性能明顯提高;當(dāng)在苯胺單體中添加多壁碳納米管后,導(dǎo)電聚苯胺的機(jī)械強(qiáng)度、沉積量和電導(dǎo)性均得到改善;以 MWCNTs/PANI改性陽(yáng)極構(gòu)建的SMFC,電池的抗極化性能明顯提高;電池最大功率密度為527.0 mWm-2(1888.9 mAm-2),是未改性的4倍。最后,根據(jù)PANI贗電容和MWCNTs雙電層電容對(duì)電子的儲(chǔ)存作用、N元素或醌

5、對(duì)微生物的生長(zhǎng)促進(jìn)作用和生物電容理論,分析了復(fù)合物能夠改善SMFC性能的作用機(jī)制。
　　(3)利用原位化學(xué)法合成 MnO2基包覆聚苯胺復(fù)合材料,并制備新型PANI/MnO2改性陽(yáng)極。研究結(jié)果表明:PANI/MnO2改性比 PANI改性電極的電容有一定提高,電極抗極化性改善,多次循環(huán)后前者的穩(wěn)定性更優(yōu)異;以該改性陽(yáng)極構(gòu)建了SMFC,電池的最大功率密度為268.9 mWm-2,是未改性的2倍。說明陽(yáng)極表面涂覆電容性材料后,表面的儲(chǔ)存電