微生物燃料電池中OH﹣和O2陰極的傳質(zhì)過程與影響因素分析.pdf

1、微生物燃料電池技術(shù)（Microbial Fuel Cells，MFCs）是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，因其具有處理廢水的同時回收清潔能量電能的優(yōu)勢，吸引了研究人員的廣泛關(guān)注。在MFCs的研究過程中，系統(tǒng)產(chǎn)能的提高和放大化應(yīng)用是亟待解決的瓶頸問題。MFCs陰極性能的優(yōu)化是解決這一瓶頸問題的重要因素。本課題為揭示陰極傳質(zhì)過程和提升氧還原反應(yīng)速率，結(jié)合微觀測量與反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理，揭示了影響陰極反應(yīng)速率的關(guān)鍵因素，探討了促進(jìn)陰極反應(yīng)的條件，為進(jìn)

2、一步研究陰極反應(yīng)提供了機(jī)理依據(jù)。
　　為研究陰極傳質(zhì)及生物膜對陰極性能的作用機(jī)理及陰極界面的微觀反應(yīng)過程，采用可原位測量且不破壞物質(zhì)結(jié)構(gòu)的微電極系統(tǒng)，對陰極界面的O2、OH–、H+和氧化還原電位等進(jìn)行了測定。以輥壓陰極為研究對象，考察其催化層表面附著生物膜前后的界面反應(yīng)過程和氧還原性能。設(shè)計了針對界面?zhèn)髻|(zhì)測定適用的半反應(yīng)系統(tǒng)，采用鉑片作為對電極，培養(yǎng)基為50 mM的磷酸鹽緩沖溶液，測量體系為三電極體系，通過微電極系統(tǒng)對電極的界面反

3、應(yīng)進(jìn)行測試，同時，利用電化學(xué)工作站對陰極進(jìn)行恒電位設(shè)定，記錄同步的計時電流變化情況。
　　試驗結(jié)果表明：陰極傳質(zhì)與陰極氧還原反應(yīng)速率有著密切關(guān)系。陰極無膜時，設(shè)定的恒電位值越負(fù)，陰極產(chǎn)生的電流越大，在-0.3 V下電極反應(yīng)電流為7 mA，比-0.1 V時電流高出133％，此時陰極發(fā)生的反應(yīng)較為劇烈。在大的電流條件下，陰極pH值由7.0升高到10.2，氧氣濃度達(dá)到4.3 mg/L。電解液pH值試驗結(jié)果表明，較強(qiáng)的溶液堿性會加大氧氣在

4、陰極內(nèi)部的傳質(zhì)系數(shù)，促進(jìn)氧氣向體系內(nèi)部擴(kuò)散。高濃度的氧氣使陰極氧化還原電位呈還原性，此時，陰極具有較強(qiáng)的還原能力。
　　當(dāng)陰極表面附著生物膜后，在-0.3 V條件下，電流較無膜時下降了57%，生物膜內(nèi)部pH值持續(xù)累積，達(dá)到13.5。檢測到的陰極界面氧氣值濃度幾乎為0，氧氣含量降低，氧化還原電位升高240 mV，陰極還原性能下降?？梢?，生物膜不僅對氧氣有巨大的消耗作用，還抑制了O2和OH–向主體溶液的傳質(zhì)，不利于氧還原反應(yīng)的進(jìn)行。<