论文部分内容阅读
能源危机和环境污染是当今世界实现可持续发展所面临的主要问题。微生物燃料电池(MFC)能够利用产电微生物将生物能转化为电能，其具有能量转换效率高、反应条件温和、清洁无污染等优势。MFC作为一种新的绿色能源技术，是21世纪污水处理领域的新方向。 在众多的MFC当中，空气阴极MFC可以取得相对较高的输出电压，这是由于空气中氧气具有较高的氧化电位。同时，空气阴极结构简单，氧气来源充足稳定。目前，功率密度较低以及造价偏高是限制空气阴极MFC工程化的瓶颈。开发高效廉价的空气阴极催化剂对提高空气阴极MFC性能起关键作用。活性炭材料具有价格低、容易制得、具有催化性能较好的优势，已成为当前空气阴极MFC催化剂的研究重点。单纯的活性炭空气阴极MFC性能仍然较低，对活性炭的修饰能使其催化性能有所提高，进而改善电池性能。另一方，对于MFC电极材料的优化与改进也是提高MFC性能的重点研究方向。 本论文考察了两种Fe3O4超声掺杂于活性炭作为空气阴极催化剂的性能表现，分别是使用水热法制备的纳米Fe3O4，以及消磁处理后的纳米Fe3O4。同时，研究Fe3O4含量对活性炭催化性能的影响。通过对样品、空气阴极和MFC的各种物理、化学测试，证明活性炭中Fe3O4含量为5％时催化效果最佳，消磁处理后的Fe3O4具有更好的催化性能，最大功率密度达到1430mWm-2，这比空白提高了83％。具体的分析包括了:电池运行的极化曲线和功率密度、空气阴极的LSV、EIS、Tafel性能、催化剂的SEM、RDE、比表面积分析。通过文章中一系列的分析，可以知道空气阴极电阻的降低、反应动力的提高使得修饰后活性炭空气阴极催化性能更佳。同时，消磁处理的Fe3O4由于形成氧空位使得其催化效果更好。 本论文在单室活性炭空气阴极MFC构型下，使用膨体聚四氟乙烯(EPTFE)高分子薄膜替代目前广泛使用的PTFE乳液作为空气阴极的扩散层。经过一系列平行试验得出EPTFE防水透气膜具有和PTFE乳液相近的性能，并且空气阴极制备方法更简便。EPTFE膜具有合理的孔隙率，可以确保氧气渗入催化层以及避免电解液渗漏。与使用PTFE乳液的MFC相比，使用EPTFE膜的MFC输出电压更高，高电压区维持时间也更久。此外，EPTFE膜的成本低，可工业化生产，为空气阴极实用化提供了可能。