金屬摻雜碳納米管電極應用于微生物燃料電池處理廢水研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)是一種集產(chǎn)電和污水凈化為一體的新型水處理技術，是污水處理理念的重大革新。微生物燃料電池具有來源廣泛、反應條件溫和、環(huán)境友好、直接將底物的化學能轉化為電能、環(huán)保無污染等優(yōu)勢，但產(chǎn)電性能低限制了微生物燃料電池的推廣應用。
　　 反應方式（單雙室微生物燃料電池、旋轉陰極式等）、微生物、底物濃度、電極等是影響微生物燃料電池產(chǎn)電性能的主要因素。陽極是微生物附著并能夠產(chǎn)生電子的

2、部位，陽極材料及結構將直接影響著底物氧化、電子產(chǎn)生和電子傳遞等過程，因此，選擇合適的電極材料是提高微生物燃料電池產(chǎn)電性能的關鍵因素。本研究主要從研究微生物燃料電池的陽極材料出發(fā)，篩選出最優(yōu)的金屬元素摻雜碳納米管的電極。
　　 本文研究了金屬元素摻雜表面改性碳納米管電極作為陽極時對微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響，考察了電極的制備條件、金屬元素種類的選擇、摻雜含量、反應室溫度、底物初始濃度、COD去除率等因素。本研究主要以99.9％的

3、純鈦為基體，分別選擇鋅(Zn)、鎘(Cd)、銀(Ag)、鑭(La)、釓(Gd)五種金屬元素與預處理的碳納米管(CNTs)結合，采用溶液共混法制備不同金屬元素摻雜的碳納米管電極。以該電極為陽極，石墨電極作為陰極，飽和甘汞電極為參比電極，葡萄糖為基質(zhì)配置模擬廢水，構建了雙筒型微生物燃料電池。以模擬廢水為目標降解物，考察了不同陽極材料在MFC下的產(chǎn)電性能。同時采用紅外光譜(IR)、場發(fā)射掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDAX)、X射線衍射儀(

4、XRD)等方法對電極材料進行表征，研究碳納米管鈦板形貌，摻雜了金屬元素催化劑的碳納米管鈦板的晶型和金屬元素的摻雜方式。結果表明，經(jīng)過表面改性的碳納米管，可以加速陽極產(chǎn)電微生物膜形成的同時，還可以提高整個微生物膜的產(chǎn)電能力;所制備的金屬元素碳納米管鈦板作為陽極具有較好的產(chǎn)電性能;金屬元素的摻雜使得碳納米管復合材料具有更高的比表面積和界面面積，更易于結合產(chǎn)電微生物產(chǎn)生的質(zhì)子，得到更多的電子，從而提高產(chǎn)電功率和電流密度;硫化鋅摻雜的效果優(yōu)于同

5、一副族的硫化鎘，以及在相同條件下的貴金屬銀和稀土元素;在外電阻2300Ω，廢水濃度為1257mg·L-1，溫度40℃，硫化鋅摻雜量為0.5g，微生物燃料電池的平均輸出電壓為859mV，最大輸出電壓可達到1030mV，最大產(chǎn)電功率密度31.2mW·m-2，最大電流密度為94.67mA·m-2，COD去除率約92％。
　　 本課題的創(chuàng)新之處:(1)研究了制備金屬元素摻雜碳納米管電極的最佳條件和催化反應條件;(2)優(yōu)選出產(chǎn)電性能最優(yōu)的