不同阳极材料的微生物燃料电池产电性能的研究汇总.docx
《不同阳极材料的微生物燃料电池产电性能的研究汇总.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《不同阳极材料的微生物燃料电池产电性能的研究汇总.docx（26页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
不同阳极材料的微生物燃料电池产电性能的研究汇总
论文题目：
不同阳极材料的微生物燃料电池产电性能研究
学院：
年级：
专业：
姓名：
学号：
指导教师：
摘要
微生物燃料电池是一项新工艺，在节能减排上有广阔的发展前景。
微生物燃料电池（MFC）是利用阳极产电微生物为催化剂降解有机物直接将化学能转化为电能的装置。
在MFC系统中，阴阳极的电极材料是影响产电性能的核心要素之一。
本课题介绍了MFC中阳极材料的相关研究进展，分析了不同阳极材料表面的产电微生物、产电过程、产电机理和产电能力的区别，为MFC阳极材料优化、产电微生物的富集、MFC构型改造等组合提供思路，着重讨论了不同阳极材料对微生物燃料电池的产电性能的影响，从中筛选出产电效率高的阳极材料，推动微生物燃料电池相关研究的发展。
关键词
微生物燃料电池；产电微生物；阳极材料；产电性能
Abstract
Microbialfuelcellisanewtechnologyinenergysavingandemissionreduction,andithasbroadprospectsfordevelopment.Microbialfuelcell（MFC）istheusesofanodicmicrobialcatalystdegradationoforganicmatterdirectlyconvertchemicalenergyintoelectricalenergydevice.IntheMFCsystem,anodeandcathodeelectrodematerialisoneofthecoreelementsoftheelectricityproductionperformance.ThispaperintroducestheMFCanodematerialintherelatedresearchprogress,toanalyzedifferentanodematerialonthesurfaceoftheelectricigens,electricityproductionprocess,electricitygenerationandelectricitygenerationcapacitydifference,asMFCanodematerialsoptimization,microbialenrichment,MFCconfigurationtransformationandthecombinationofideas,discussedthedifferentanodematerialsonmicrobialfuelcellpowergenerationperformanceinfluence,fromthescreeningreportofproductionofhighefficiencyofanodematerials,topromotethedevelopmentofrelatedresearchinmicrobialfuelcell.
Keywords
Microbialfuelcell;Electrogenesismicroorganism;Anodematerials;Electricityproductionperformance
目录
摘要I
AbstractII
前言1
1.绪论3
1.1课题的背景3
1.1.1世界形势3
1.1.2中国形势3
1.2微生物燃料电池的产电基本原理4
1.2.1微生物燃料电池的种类4
1.2.2直接微生物燃料电池的构造5
1.3不同的阳极材料6
1.3.1碳材料7
1.3.2导电高聚物7
1.3.3碳纳米材料/导电高聚物7
1.3.4金属和金属涂层8
1.3.5非金属和非金属涂层8
1.4课题研究的主要内容8
1.5课题研究的目的和意义8
1.5.1课题研究的目的9
1.5.2课题研究的意义9
2.实验材料与方法10
2.1MFC的实验药品和实验仪器10
2.1.1实验药品10
2.1.2实验仪器10
2.1.3实验装置11
2.2性能的测试和分析方法11
2.2.1广角X射线粉末衍射（XRD）12
2.2.2LSV的电化学测定12
2.2.3库仑效率和电流密度的测定12
2.2.4极化曲线和比表面积的测定13
2.2.5循环伏安曲线和功率曲线的测定14
3.不同阳极材料对产电效果的影响15
3.1实验中所用阳极材料的性质分析15
3.1.1Fe3O4/C-J的性质分析15
3.1.2Fe3O4/C-P的性质分析17
3.1.3Fe3O4/C-YK的性质分析19
3.2电极电位21
3.2.1铂电极的电压-电流关系21
3.2.2铁电极的电压-电流关系22
结论23
参考文献24
致谢25
前言
21世纪是绿色的世纪，可持续发展的世纪，然而随着人类智力的提升，科学技术不断的革新，环境问题成为严重制约人类社会发展的因素。
生态，环境，能源等问题已经被提上日程，但是重视力度仍然不够，尚需各国持续不断的共同努力。
由于工业的日新月异的发展，导致了气候变化，粮食短缺和化石能源的危机。
臭名昭著的世界八大公害事件，用血的事实向人类证明环境问题已经刻不容缓。
全球的水污染，大气污染，噪声污染，资源浪费相当严重。
如何科学，合理，节约地使用不可再生资源，直接关系到国家的能源安全。
全球的水污染，大气污染，噪声污染，资源浪费相当严重。
如何科学，合理，节约地使用不可再生资源，直接关系到国家的能源安全。
在化石燃料的开采、运输、使用、排放的过程中，怎样做到清洁生产，即从源头到坟墓的无害化，资源化，减量化，是当前科学家们致力研究的重要方向。
不可再生能源的形成是几十万年甚至几十百万年固定在岩石层中的太阳能。
其形成是一个漫长而渐变的过程。
而人类开采利用的速度快的惊人。
这样滥采乱伐，在一二百年之后，子孙后代将面对资源和能源枯竭的局势。
因此，必然促使人类研制再生且绿色环保能源。
现阶段，控制污染技术很多，其中包括物理技术，化学技术，生物技术等，但是集消除环境污染和发电产能于一身的微生物燃料电池技术，是各国科学家共同青睐的，而且他们争先恐后的进行相关科研，试图探究一种缓解能源危机的可行途径。
众所周知，人类的生活离不开衣食住行，能源的作用于人类无疑是鱼和水的关系。
不仅是人类存在的基础，而且在促进经济发展，提高人类精神文明方面，也起到了举足轻重的作用。
随着物质文明建设的吐火如荼的进行，人们对能源的需求在日益增加。
纵使如此，能源浪费问题还是相当严重，是个迫在眉睫的事情。
近几十年来，对化石燃料特别是煤炭和石油的过度使用，不仅导致环境污染，更是引起了全球的能源危机。
精神文明建设的长足发展使人们的环保意识不断增强，他们逐渐认识到化石燃料的不可再生的严峻性和污染的严重性。
可再生清洁能源的研发和推广使用已是刻不容缓的甚至是关系国计民生的大事。
潮汐，地热，生物能，风能，水能，太阳能、等可再生能源的发现及研发将引发一场轰轰烈烈的能源革命。
目前，可再生能源品种不少，但是绿色可再生能源可以在商业上推广的并不多。
其中作为一种未来可能替代化石燃料的清洁环保能源——生物质能，被大家青睐。
在各种生物能源中，微生物燃料电池作为一种新兴的高效的生物质能，具有广泛的使用价值和高效的环保价值。
创新人士将生物质能应用于燃料电池，这类发展和相关研究越来越受到公众的关注。
大力研发和高效利用生物质能源，不仅可缓解能源危机，同时可促进生态环境向着良性循环发展，对实现可持续发展具有重要意义。
生物质能源是指大自然中动物，植物，微生物等有生命的各种有机生物，它们本身蕴藏一定的能量，并可以通过某种机制转化成不同形式的能量，伴随物质循环实现大自然的能量循环。
在微生物燃料电池（MicrobialFuelCell,MFC）中，微生物在催化剂的作用下将有机物分解为无机物，伴随着物质的转化，化学能转化为电能。
生活污水和工业污水中含很多有机物，这些微生物都被可以利用。
微生物燃料电池消耗污水中的有机物，通过生物代谢作用，实现能量的转化，是一种绿色能源，它的特征如下：
（1）原料广泛：
可利用多种底物。
（2）条件温和：
安全可靠。
（3）环保无污染：
唯一产物水。
（4）不需外输能量：
实现生物能到电能的转换。
（5）能量可实现循环。
（6）可用于污泥和污水的处理中，变废为宝，节能减排。
1.绪论
目前，石油和煤炭等传统化石燃料资源面临着储量严重短缺，开采环节复杂，利用方式效率不高，不可再生和燃烧后产生大量污染气体等严重问题。
面对现代出现的各种棘手难题，环境保护的呼声也越来越高涨，要求政府和社会各界共同努力，以实现可持续的发展。
当今世界各国的能源战略和能源科技发展都加入了绿色的能源科技要素，人们正在试图改变20世纪建立的以石油和煤炭为基础的庞大能源体系，在能源循环利用的路上奋斗不息。
1.1课题的背景
社会是个动态发展的社会，时时刻刻都发生着变化。
科学技术随社会的需要而发展。
污染和浪费事件频繁发生，要求绿色和环保的呼声越来越高。
能源危机的加剧使得微生物电池的研究成为当今世界当之无愧的热点问题。
该电池除污产能既环保又有效益。
1.1.1世界形势
很久以前就出现了微生物燃料电池。
英国植物学家Potter[1]是开展微生物燃料电池相关研究的开山鼻祖，他通过酵母和大肠杆菌试验，得出利用微生物可以产生电流的结论。
不久后，很多人都尝试相关方面的实验，并大胆的把微生物做催化剂，在有机物质分解的同时获得能量。
最早的细菌电池是由美国的科学家研制的。
它利用尿液并把微生物作为阴阳极的活性材料，供太空飞船使用，不过电池的效率不是很理想。
随着细菌发电的进展，人们利用细菌在电池组里分解生物有机物质，并利用在电极间微生物催化的氧化还原反应。
好养和厌氧微生物在自身代谢过程中，将污水中的有机物降解掉，同时产生电子转移，在完整的回路中形成电流。
微生物燃料电池由于其除污产能的优势，在将来的发展前途是不可限量的。
1.1.2中国形势
中国各大高校也纷纷加入微生物电池的潮流，其中以哈尔滨工业大学的相关研究较多且较前沿。
微生物燃料电池既能暂时缓解能源危机，又能在污水污泥的处理中发挥重要作用，因此它是一项绿色环保的新工艺，发展前景十分可观。
例如中国科学院成都生物研究所应用与环境微生物中心李大平研究员课题组在微生物燃料电池的产电机制研究方面取得突破性进展。
他们发现在中性偏碱[3]的环境条件小，假单胞菌能够降解有机物，同时产生电能。
1.2微生物燃料电池的产电基本原理
众所周知，微生物能够降解有机物，伴随物质的转换过程，能量也发生变化。
植物储存在体内的能量是太阳辐射的太阳能，我们把该过程称做光合作用。
微生物将氧化还原反应产生的电子通过外电路传递到阴极上，该过程伴随电流的产生，这样的装置称为微生物燃料电池[4]。
电池顾名思义就是产生电能的装置，微生物燃料电池自然是通过微生物是实现的。
电池由正极和负极构成。
用半透膜把反应器隔开，形成两个小容器，这样的称为两室电池，没有存在隔膜的称为单室电池。
根据阴极和阳极有无微生物参与反应电池可以分为生物阴极、生物阳极和生物双极。
微生物新陈代谢，将有机物分解合成，此过程有电子的转移，通过导线作用，构成回路，就能得到电流。
这在本质上是化学上的氧化还原反应。
1.2.1微生物燃料电池的种类
一、直接微生物燃料电池[5]
直接微生物燃料电池顾名思义是指电子直接传递，不需要介体。
微生物细胞膜的成分是有机高分子不导电物质，正是由于这些材质所致，电子过不去。
先进的微生物燃料电池一般需要导管体，导管体的导电性能对库伦效率影响很大，不过有个缺点是价格不菲。
直接为生物燃料电池能够推广是因为各种膜材料大多都有毒且不稳定。
随着科学的发展，近几年，几种具有特殊性质的细菌被人们陆续发现。
没有中间隔膜时，细菌氧化还原中的电子可以直接传到电极上，在回路中产生电流。
电池的发展是个怎么样的前景，谁也说不清楚，有合适的材料，价格也合理，就会发展。
没有材料也不可能发展，这是众所共知的。
商业上的推广盈利，电池应具备结构简单，效率高，无污染，可循环使用等优点。
二、间接微生物燃料电池
间接微生物燃料电池自然跟直接电池有区别，中间有了个导体膜做辅助。
电子从阴极导到阳极，电子获得于生物新陈代谢过程中。
有机物是许多科学家常用的燃料。
不同种属的微生物在不同的情况下都能被用作催化剂。
但是许多实际可行性太差，没有推广的价值。
间接生物燃料电池的工作原理是污染物在胞外酶的催化下，实现氧化还原过程，伴随该过程释放的电子，在导体膜的作用下运动到正负极。
1.2.2直接微生物燃料电池的构造
该电池的结构简单与否和设计是否合理，决定了它的推广程度。
双室型微生物燃料电池应用广泛，有阴阳两个级室。
正极和负极并没有相连，他们之间存在一定的距离，需要有导体协助电子走过去——即传过去。
一、阳极和阳极室
激活过程和传递过程是两个重要的过程。
微生物属于哪个种属，有什么特征，以及微生物的量的多少严重影响激活过程，激活过程就是通常所说的活化的程序。
阳极就是电池的正极，正极电势高；阴极就是电池的负极，负极电势低。
正极和负极再加上电线构成回路，就有电流产生，这就成了电池，可以对外供电了。
电流从正极流到负极，电子从阴极传递到正极。
纯碳及在碳电极表面修饰金属氧化物是目前微生物燃料电池的阳极材料。
将阳极分为填料型和平板式两种是根据阳极的具体形式定义的。
在容器中填点材料，就构成了新式的阳极。
表面积大了，许多微生物有了附着床即生物床，它们大量繁殖，生物量多了，电子也多了，电子密度就大了，电压也大了，电池就优化了。
用平行板也可以做成阳极，阳极有个不好的是体积太大了，占地太大，不方便。
液体来来回回的流动，还需要搅拌，否则影响传递过程。
功率密度和电流密度都可能受到严重影响。
来回流动即对流。
速度梯度、分子扩散、湍流扩散等多种因素的影响流态。
二、阴极和阴极室
电池的阴极能够把电子传递给接受电子的物质，实现化学反应，其中有催化剂存在并发生关键作用。
以产电密度为准绳，我们做出结论氧气是做阴极合适的材料。
这样的电池功率密度高，电流大，效率高。
三、分隔材料
常用的分割材料很多，例如玻璃纤维、盐桥、质子膜、玻璃珠和碳纸等。
然而有一部分材料效率太低，很多人不愿意使用，一点一点的退出研究领域。
什么样的材料能占得一席之地，那就是效率高，损失小。
半透膜要保证阳极的真空状态，这样内阻就会很小。
另外，就隔膜材料而言，两室型微生物燃料电池的构型十分的繁琐，而一室型微生物燃料电池省略了阴极室，氧气作为电子直接受体时传质阻力小于两室型微生物燃料电池。
优化阳极，阴极和隔膜材料性能，可以提高微生物燃料电池的产电能力。
四、评价系统
微生物燃料电池是一种通俗意义上装置，它的用途是产生电能。
电池的外形结构，电池的运行方式及外接电器的电压高低是主要影响对外供电能力的因素。
任何电器都不能超过最大工作电压，负载应该有个维护的合适额定电压。
当负载电阻值过小时，电流与电压成反比；当负载电阻值过大时，电流与电压成反比，一大一小。
要保证最优化的电池运行效率，自然是各项指标的同时满足最优化的条件下，这样才能实现。
极化曲线是以电流为X轴，以电压为Y轴，作图表示二者之间的关系。
人们通过大量实验，总结出了许多评价微生物燃料电池性能的参数，如电极电势、功率、功率密度、功率曲线、库仑效率、增值产率、COD和BOD浓度变化等。
1.3不同的阳极材料
MFC以外形结构为依据，人们习惯分为一个室微生物电池和两个室微生物电池。
Kim[7]等比较了单室MFC和双室MFC的产电效果。
对于以厌氧污泥为活性微生物，乙醇为底物的MFC，单室的功率密度比双室高（单室488±12mW/m2，双室40±2mW/m2）。
这是因为单室MFC无分隔材料和阴极液，内阻较双室小。
但是单室MFC的库仑效率（CE）比双室低（单室10%，双室42%-61%）。
氧气可以在阴阳极之间运动，实现电子的转移。
氧充足时，好氧微生物发挥作用。
产电微生物附着的载体作为阳极，能大幅度影响MFC的产电性能。
对阳极材料的研究可以提高电池的产电效率，功率密度，库伦效率。
通过各种修饰作用，采用不同的炭布和各种纤维，并根据微生物的生活特性，只要能提高电量，材料易得，容易推广，这就完成了主要的任务。
高附着量，最小的损失。
当前有多种材料可以作为阳极，关键是效果优劣的问题。
MFC阳极材料来源广泛，许多碳材料都可以满足条件。
提高微生物燃料电池的产电效果可通过改善阳极材料的孔面积，也可以进行氨气处理。
将纳米复合材料应用于电池的阳极，是一个新的研究领域。
1.3.1碳材料
微生物燃料电池的阳极同时存在微生物和化学物质，多种物质发生反应其复杂性不言而喻，自然是化学燃料电池无法企及的。
因此，阳极材料还必须要有良好的生物适应性、优异的导电性能、抗腐蚀性能、高比表面积和高孔隙率。
网状玻璃碳表面积大，可提高微生物的附着量，用作阳极。
网状玻璃碳是通过碳化含合成树脂和发泡剂的聚合体得到的重要材料。
因其卓越的物理结构和突出的搞机械抗力、多孔性、生物适应性和相对高的导电性而广为人知。
如果价格再合适就可以推广。
在富勒烯结构族中，圆柱形纳米和碳纳米管结构的碳是碳元素构成的不同单质。
在微生物燃料电池研究中，引入了碳纳米管来评估其对废水中菌群的生物兼容性和阳极表面细菌生长期的影响。
表面性质跟比表面积有很大关系。
比表面积大的提高主要是为了提高吸附在电极表面的细菌密度。
纳米材料的研究和生产显得十分的具有前景。
许多科学家做了相关的研究。
得出的结论很多，也取得了十分可观的进展。
而且已经应用到电池中，工作效率有所提高。
碳布在氮气的处理过程中，内部结构中的孔径变小，孔数增多，表面性质发生改变，促使细菌在电极的吸附，电子在两极间的传递。
1.3.2导电高聚物
导电高聚物是一种新式的材料，有很多优点。
它的发展前景十分可观。
我们把具有良好导电性、稳定性和生相容性的聚吡咯视为最新的所有导电聚合物研究中一个最具吸引力的材料。
理论和实践已经证明，提高MFC阳极的比表面积可以提高电池的工作效率。
不久前Niessen[8]等采用氟化聚苯胺作为阳极材料，氟化聚苯胺的使用，大大提高了电池的功率密度和电池效率。
他们的研究解决了催化剂中毒的问题，改善了催化效果。
这种很好的材料受到人们的青睐。
其优点很多，不仅性能上效果好，价格上也很理想。
1.3.3碳纳米材料/导电高聚物
导电高聚物和纳米材料有很好的孔隙结构，比表面积，脆度高，抗人性能好。
具备了制作电极的诸多优势。
在电极材料方面的发展是很有前途的。
复合材料的性能好，所以在研究中受到青睐。
可以通过修饰加以改善某些性质。
它们的导电性能都很好。
不容乐观的是，有关报道称，碳纳米管具有化学毒性，可能导致抑制细胞增殖和细胞死亡。
通过修饰可以降低对细胞的毒性，为材料的推广拓宽道路。
许多人已经尝试了用碳布附着催化剂来改善性能，取得十分可观的结果。
这种复合材料的研制大大提高MFC产电效率[9]。
采用纳米复合材料可以作为一种高效能，低成本的阳极材料，它的应用前景令人欣喜。
1.3.4金属和金属涂层
碳材料的各种金属和金属涂层[10]在MFC中的应用研究尚不完善。
在碳布的表面上附着铁的各种氧化物，改善了细菌的繁殖速率和代谢速率，不过没有提高最大功率。
此种电极用于双室MFC中时，由于内阻较高，产电效果并不理想，不具有可操作性和可推广性。
1.3.5非金属和非金属涂层
科学家们想了许多方法，试图通过使用非金属材料提高阳极效果。
目前最成功的提高产电性能的方法是氨气修饰碳布电极法[11]。
通过修饰作用，碳布的表面性质大大改善，从而提高了导电性能。
1.4课题研究的主要内容
本研究以单极室MFC反应器构型为基础，研究不同阳极材料对其产电性能的影响。
主要研究内容包括：
阳极材料的比较主要是考察几种新型阳极材料应用于MFC的产电效率。
通过电池电位、阳极电位、库仑效率、电流密度和功率密度等运行参数，比较不同阳极材料的MFC产电效果。
以碳布阳极的MFC运行效果为对照，选择效果最佳的阳极材料做进一步研究。
1.5课题研究的目的和意义
现在的MFC不太实用，效率太低，根本无法跟其他电池相媲美，因此商业上的优势更是无存谈起。
如何提高产电能力关乎MFC的兴衰成败。
因此现阶段和今后的一段时间努力改善阳极的比表面积，提高MFC的产点效率是主要的任务。
本课题的阴极是空气型的，主要探讨不同阳极材料对MFC产电效率的影响。
1.5.1课题研究的目的
本课题的研究目的是通过在阳极负载不同的炭材料，增大MFC阳极的比表面积，进而提高生物膜的面积，增加生物量，达到较其他形式的MFC获得更大的电流密度的效果，从而提高反应器效率，搜索出新一点的制作流程和技术。
考察几种不同的阳极材料，分别测定他们的性能，比较筛选。
选出适宜做阳极的材料。
1.5.2课题研究的意义
用石墨颗粒填充时，颗粒间的接触也成了制约反应器效果的因素之一。
相对于石墨棒、石墨颗粒等石墨材料，虽然石墨毡的比表面积较大，同时也获得了较大的电流密度，但是其价格也要相对贵一些。
为了获得更高的产电效率、更好的将MFC应用于实际工程中，选择出具有低内阻、高机械强度、高比表面积以及廉价的阳阳极材料具有十分重要的意义。
当前，能源危机不断加剧，化石能源的耗竭，给研究领域提供了很多方向。
争取研究绿色能源，缓解能源危机。
2.实验材料与方法
2.1MFC的实验药品和实验仪器
2.1.1实验药品
实验用药品如表2-1所示。
表2-1实验药品
名称
分析纯
聚四氟乙烯溶液
分析纯
碳布
无
丙酮溶液
分析纯
铂碳
化学纯
石墨
化学纯
Fe3O4/C-J
实验室自行制备的样品
Fe3O4/C-P
实验室自行制备的样品
Fe3O4/C-YK
实验室自行制备的样品
重铬酸钾
分析纯
浓硫酸
分析纯
硫酸汞
分析纯
2.1.2实验仪器
实验用仪器如表2-2所示。
表2-2实验仪器
名称
型号
多功能消解器
SB3150B
万能表
DT920
玻璃制作单极室
无
测定电压-电流曲线电脑系统
苹果
测定库伦效率电脑系统
联想
马弗炉
KSN
冰箱
海尔
超声波清洗器
YQ-250B
2.1.3实验装置
本实验应用的是无膜无介体单室直接微生物燃料电池反应器，该电池主体由有机玻璃制成，为圆柱状，长4cm，直径3cm，有效容积28mL，如图2-1所示，主要由阴极和单室、阴极、阳极、葡萄糖培养液构成，污水从反应器顶部注入、排出。
图中所示的反应器的左侧为阳极端，右侧为阴极端，通过导线连接使之与外电路连通，电子得以传递到阴极从而与质子结合生成水。
图2-1装置图
2.2性能的测试和分析方法
MFC技术首先涉及电化学领域，但是由于阳极使用的是活体微生物，它又不同于传统的化学燃料电池，在电化学测试方法上也有一定的特殊性。
下面从阳极材料的表征、极化曲线和功率密度曲线的获得、循环伏安和交流阻抗的测试等方面详细介绍本论文中涉及的电化学方法、化学表征方法。
2.2.1广角X射线粉末衍射（XRD）
XRD是研究物质晶相组成与结构的强有力的表征手段。
XRD[12]利用衍射峰的位置可以决定晶胞的形状和大小，粒子的表面积，以及晶格常数
升级会员 