论文部分内容阅读
生物质能源是当今和未来世界最重要的可再生能源之一。生物质通过光合作用将太阳能储存下来,可以满足未来对能源的需求。生物质能源的使用可以降低CO2和其它气体污染物的排放量,减缓环境问题（如全球变暖,气候变化,空气污染和酸雨等）。木质纤维素类生物质,包括农业和林业残余物,生物材料副产品,木材等,是一种重要的生物质来源,因为这类生物质不会产生与人争粮的冲突。利用木质纤维素生物质转化为清洁电能一直是备受关注的研究方向。目前,将生物质资源转换为电能的技术包括微生物燃料电池（MFC）,固体氧化物燃料电池（SOFC）,和聚合物膜燃料电池（PEMFC）等。但是,这些技术存在的问题是:（1）生物质需要预处理转化为电池能够利用的物质;（2）MFC和PEMFC的输出功率不高;（3）电池的性能对反应条件敏感且寿命有限。这些困难严重阻碍了生物质向电能转化的应用。本论文研究了基于水溶性多金属氧酸盐（POM）氧化还原液流体系的低温生物质燃料电池。这种电池能够直接使用原始的生物质,包括树叶,草和木粉等作为燃料,在氧气的作用下产生电能。第一章介绍了生物质能源的分类、优势以及生物质能转化和利用的方法。详细介绍了以电池为基础的生物质转化,包括微生物燃料电池,固体氧化物燃料电池,直接碳电池,聚合物膜燃料电池和光化学电池等。第二章设计并组建了低温生物质燃料电池,它以碳布电极为阳极,POM和生物质反应溶液为阳极电解质,铂催化的氧还原电极为阴极,阴极和阳极被全氟磺酸树脂膜隔开。本章验证了该电池在光照或/和加热的条件下的电子和质子转移过程,考察了以淀粉和纤维素为代表的不同生物质材料作为燃料时电池的功率输出。结果表明该低温生物质燃料电池的输出功率可达到0.7 mW cm-2,法拉第效率达到94%。第三章改进了低温生物质燃料电池的结构设计,采用了含钒的POM代替铂催化剂用作为阴极电解液,同时使用多孔石墨毡电极作为阴极。本章中电池电流的产生是基于二种不同价态的POM在石墨电极上的放电,而生物质和氧气分别使阳、阴极的POM再生。经过改进的生物质燃料电池的功率由采集的原始生物质（柳枝稷和灌木叶）作为燃料来验证,表明该电池的功率密度可以达到4451mW cm-2。电池的稳定性测试表明在连续12个小时的实验时间内该生物质燃料电池可提供30 mW cm-2的稳定功率输出。第四章研究了光照所带来的二种效应（光催化和光生热效应）对该生物质燃料电池的协同促进作用。由于POM电解质溶液的吸光系数非常大,因此在实际的太阳光照下,电解质溶液的温度甚至能升高到85oC（夏季）,这足以引发POM对生物质的热氧化降解。经测定,在本电池电解液系统中光热转换效率达到85%以上,而光量子产率为14.4%。本章基于“黑盒”理论对生物质燃料电池的能量流进了分析,以生物质热焓计算的电池能量效率达到36.7%。第五章运用循环伏安法和线性扫描对电池的电解液进行了电化学表征。运用参比电极与电池的电极组成三电极体系,对电池的放电过程进行了原位的过电位和交流阻抗分析。结果表明阴极电解质溶液在电极上放电时存在界面电阻/电容和电荷转移电阻/赝电容而具有较高的过电位,并且工作条件（如温度和浓度）对阴极放电过程具有较大的影响。阳极的放电过程过电位较小,对工作条件不敏感。第六章对生物质被POM氧化降解后的产物进行了化学表征,包括NMR,GC,LC-MS,GPC,TOC等。结果表明生物质高分子在光照或加热的条件下与POM反应能够降解为小分子或寡聚物而小分子中的C-C键能够被打断,最终生成CO2。实验表明经过12次的循环氧化,85%的生物质可以被完全氧化为CO2。第七章总结了全论文的观点,并提出了将来的研究计划应该集中在阴极电极的改进上和对生物质氧化降解效率的提高。