论文总字数：19003字

摘 要

本文研究的是生物纳米金与化学纳米金来修饰不同电极，并对电极材料进行表征；然后应用于MFC，研究其对MFC的产电性能有何影响。最终通过实验研究，结果表明了：

石墨烯电极与石墨纸电极相比具有更大的峰电流与更高的电荷转移速率。生物纳米金无论负载在石墨烯电极还是负载在石墨纸电极峰电流均大于化学纳米金负载的电极且均具有更好的电化学活性。石墨烯与生物纳米金复合电极的MFC的输出电压有明显提高，石墨烯与生物纳米金（619.30 mW/m³）、石墨烯与化学纳米金（581.50 mW/m³）最大输出功率分别比对照石墨烯（569.16 mW/m³）提高了8.81%、6.50%；石墨纸与生物纳米金（496.65 mW/m³）、石墨纸与化学纳米金（467.80 mW/m³）最大输出功率分别比对照石墨纸（396.58 mW/m³）提高了25.23%、17.95%。石墨烯与生物纳米金复合电极具有最高的COD去除率（86.98%），对比未修饰的石墨烯COD去除率（82.46%）提高了5.48%，对比未修饰的石墨纸电极COD去除率（81.25%）提高了7.07%。

关键词: 微生物燃料电池；电极改性；石墨烯；纳米金；产电性能

Study on improving the electric performance of microbial fuel cell based on electrode modification

Abstract

In this paper, different electrodes were modified by biogold and chemical gold, and the electrode materials were characterized. Then it is applied to MFC to study its influence on the electrical performance of MFC. Finally, the experimental results show that：

Compared with graphene electrode, graphene electrode has larger peak current and higher charge transfer rate. The peak current of both the graphene electrode and the graphene paper electrode supported by the biological gold nanoparticles was larger than that supported by the chemical gold nanoparticles and had better electrochemical activity. The MFC output voltage of graphene and biogold composite electrode was significantly increased. The maximum output power of graphene and biogold (619.30 mW/m3) and graphene and chemical gold (581.50 mW/m3) was 8.81% and 6.50% higher than that of control graphene (569.16 mW/m3), respectively. The maximum output power of graphite-paper and biological nano-gold (496.65 mW/m3) and graphite-paper and chemical nano-gold (467.80 mW/m3) were respectively 25.23% and 17.95% higher than that of control graphite-paper (396.58 mW/m3). The COD removal rate of graphene and bionanogold composite electrode was the highest (86.98%), which was 5.48% higher than that of unmodified graphene (82.46%), and 7.07% higher than that of unmodified graphene paper electrode (81.25%).

Key words: Microbial Fuel Cell(MFC);Electrode modification;Graphene;Nano gold;Production performance

目录

第一章 文 献 综 述 1

1.1微生物燃料电池的研究背景 1

1.2 微生物燃料电池的基本工作原理 1

1.3 微生物燃料电池的电极材料及改性 2

1.3.1阳极材料 2

1.3.2阴极材料 4

1.4 微生物燃料电池产电性能的影响因素 5

1.5 微生物燃料电池的应用 5

第二章 实验材料与方法 7

2.1实验试剂及仪器 7

2.2 生物和化学纳米金的制备 9

2.3石墨烯（GO）电极的制备 9

2.4复合电极的制备 10

2.5电化学特性分析 10

2.6 MFC系统的构建及启动 11

第三章 结果与讨论 13

3.1 生物/化学纳米金的合成及表征 13

3.2 电极材料的电化学性质的表征 13

3.3 运行后电极的电化学性质的表征 16

3.4 生物/化学纳米金复合电极对MFC产电性能的影响 18

第四章 结论与展望 21

4.1结论 21

4.2 展望 21

参考文献： 22

致谢 24

第一章 文 献 综 述

1.1微生物燃料电池的研究背景

当今的社会处在不断发展和进步之中，随之而来的各种环境污染问题已成为社会发展中环境保护因素的首要控制因素。如今的环境和能源问题日益突出，假如不好好有效解决能源和环境方面的问题，社会可持续发展的愿望不仅会不能实现，也会影响到人们的生活环境和生活质量。因此发展新型的能源也受到了科学工作者越来越多的关注。而微生物燃料电池(MFC)作为一种新兴的能量动力，它具有原料来源比较多，运行成本低和清洁无污染等一些特点^[1]，能够将含微生物废水变成它的产电来源，从而解决了众多的污水问题。因此，微生物燃料电池成为了解决环境和能源问题的一大热门的科学研究。

早在1911年,英国杜伦大学植物学家M.波特起初发现微生物具备发电的能力，从而得出了微生物燃料电池的基本概念。然而，它的发展仍旧比较迟缓。当来到了20世纪后期,伦敦皇家学院的M.J.Allen和H.PeterBennetto对原有的微生物燃料电池进行了突破性的改良重制，结果出现了微生物燃料电池的基本构型。如今，因为微生物燃料电池拥有明显的优点，所以受到科学工作者越来越多的关注。如它们可以确保能源转换的高效率而且操作条件温和等。其大多数产品也是无害气体，如二氧化碳，因此不需要废气处理。然而，微生物燃料电池的大规模工业化受到低功率生产和低功率生产性能的影响。当可以完成微生物燃料电池的大规模工业化时，就会呈现对于能源充足意想不到的好消息的。

1.2 微生物燃料电池的基本工作原理

下图是典型的微生物燃料电池（MFCs）的基本工作理论示意图，它主要是由阳极、阴极和将阴阳极分开的质子交换膜组成的。阳极室中拥有产电菌，能够催化氧化有机物，终而生成质子、电子和代谢产物等，在氧化时产生的电子经过载体传送到电极的外部，按照微生物的特性，电子转运的载体可以是外源的、与呼吸链相关的色素分子以及微生物代谢的一些还原性物质等，在阳极区产生的H 通过质子交换膜分散到阴极区，这时阳极区产生的电子流通过外电路循环到电池的阴极区，电子在流过外电阻时输出电能，电子在阴极的催化作用下与阴极室中的电子接受体相连接，之后进行还原反应^[2]。

图1-1 双室MFCs工作原理示意图

1.3 微生物燃料电池的电极材料及改性

1.3.1阳极材料

由于阳极影响产电菌产电，包括对基体的氧化、电子的产生和转移的影响，并且阳极是微生物燃料电池产生电子重要的区域。阳极使用的材料一般拥有比较优良的导电性，无腐蚀性和等特性。因为碳纸、碳布和泡沫碳等有着自己比较独特的适合微生物生活产电的特性，在MFC中得到了较多的应用。炭纸薄、硬、脆，炭布柔软延展性。尼姆等^[3]阳极不再使用碳纸，而是以碳布代替，然后对甘油来进行分解实验。最后得到可以形成相当一段有效的时间的最大功率密度数值。然而，因为成本比较昂贵的碳纸和碳布，有研究者于是就不再使用，代替的是相对廉价的碳网，研究表明，把它作为阳极材料实验时，高温氨气过后的碳网最大功率密度都稍高于前者。因此，碳布和碳纸也逐渐被后者代替。Kalathil等人^[4]阳极不再使用常规碳材料，也不使用Nafion和铂金属催化剂等较贵的材料，而使用颗粒活性炭，最后得到的最大功率密度与以前报告中的用废水为基质的基本一致。这之外，碳布的表面通过处理过后，MFC的性能也能改善，加大了发电量。程等人^[5]用氨气在700℃条件下修饰电极，而后又添加能够增加碳布外部的正电荷数目的缓冲液以提高电导率，结果使驯化的时间减少了二分之一左右，比起以废水为底物时，发电效率也增加了近50%左右。尽管实验中在高温氨气处理过后，阳极可以增加发电，但在现实运用中，一些复杂的处理也是很必需的。采用酸性浸渍法、加热法和酸性浸渍和加热综合处理法三种方法对碳纤维刷子进行了处理。洛根等人^[6]用石墨纤维制成刷子状，方法是把它缠绕在具有良好导电性能的金属芯上进行试验，并在特殊反应器中测试其产电量。结果表明，大大降低了反应器的内阻。它的功率密度也达到了最大，这是相当成功的。Chaudhuri等人^[7]进行了石墨纸和石墨毡的对比实验，把它们同时作为阳极材料时研究电流密度发生了何种变化。因为两种电极的表面积存在差异，而石墨纸和石墨毡的电流密度是一致的，最后发现石墨毡的产生的电流是石墨纸的三倍之多。Bibiana等人^[8]用石墨触觉连接电极的表面，由强阳极氧化形成的。利用微孔结构使电极与基板全部连接，促进生物膜生成，增加了电流的密度。

请支付后下载全文，论文总字数：19003字