论文总字数：20078字

摘 要

微生物燃料电池（MFC）是新兴的环保设备，利用产电微生物作为生物催化剂同时将有机物转化为电能。大部分微生物燃料电池由两室、厌氧阳极和相应的阴极。MFC阴极催化剂的研究已相对有限，与阳极的研究相比，具有较高的氧还原反应效率的阴极催化剂是微生物燃料电池的关键材料。如今，铂（Pt）作为阴极催化剂被广泛用于催化氧还原反应，但由于其成本很高，毫无疑问，这阻碍了MFC的发展。所以研究可替代铂的阴极催化剂对推广微生物燃料电池有着重要的作用。

本文则是选取不同的可代替铂的阴极催化剂，特别是采一些用纳米结构阴极催化剂材料，并将其放入小型的微生物燃料电池反应器中进行研究。实验分为多组，首先统一用相同材料的阴极进行电池中微生物的培养，待电池产电稳定以后分别更换不同于铂的阴极材料，并且分成几组实验对象，每组采用多个相同的阴极材料作为对照，可用来观察是否平行。几组MFC反应器都培养2-3个周期之后进行输出电压，电极电位等数据的测定。根据其不同的产电情况，输出电压，功率密度曲线和极化曲线等数据图进行分析。实验结果表明以FePc的异构体CFH26材料制作成阴极催化剂的微生物燃料电池相比FePc催化剂制成的MFC产电效率高很多，而且接近了铂碳催化剂的产电效率。以CFH26为催化剂的反应器有着较好的输出功率，总体趋势接近于以Pt/C为催化剂的反应器，而且输出功率最大值与到达最大值时的稳定区间CFH26都比较接近于Pt/C。CFH26的最大输出功率约为380mW/m²，与对照组Pt/C的最大输出功率450mW/m²比较接近，而FePc则最低，约为110 W/m²。从中不难看出，CFH26催化剂有着比较接近Pt/C催化剂的催化效率。而FePc的催化效果比较差。

关键词:微生物燃料电池（MFC） 阴极催化剂 纳米结构 输出功率

New oxygen-reducing catalyst application in MFC

Abstract

A microbial fuel cell (MFC) is a new environmental protection equipment, use of microorganisms as biological catalysts and organic matter is converted to electrical energy. Most anaerobic microbial fuel cell consists of two chambers, the anode and the cathode. MFC research of cathode catalyst has relatively limited, compared to the anode, cathode catalyst with higher oxygen reduction reaction efficiency is the key to a microbial fuel cell materials. Today,Platinum (Pt) as a cathode catalyst is widely used in catalysis for oxygen reduction reaction, but due to its high cost, there is no doubt that this hindered the development of MFC. So the Platinum cathode catalyst to promote microbial fuel cells have important roles. This is different in lieu of PT cathode catalysts, especially pick some with nanostructured cathode catalyst materials, microbial fuel cell and place it in the small research reactor. Experiments are divided into several groups, first used the cultivation of microorganisms in the same material of the cathode for battery, batteries, producing stable respectively different from Platinum cathode material, and divided into several subjects, each group uses more of the same material as the control, can be used to see if a parallel. After several MFC reactor culture 2-3 cycle for output voltages, determination of electrode potential data. According to their different production situations, the output voltage, power density and polarization data for analysis. Experimental results show that the FePc isomers of CFH26 material into the microbial fuel cell cathode catalysts FePc catalyst made of MFC than much higher electricity production efficiencies, and close to the efficiency of the Platinum carbon catalyst production. CFH26 as catalyst reactor has better power output, the overall trend is close to Pt/C as catalyst reactor, power output and maximum value when it reaches the maximum stability range are close to CFH26 Pt/C. CFH26 maximum output power is about 380mW/m2, Pt/C maximum output power with control group 450mW/m2 close, and FePc had the lowest, at about 110 W/m2. It is easy to see, CFH26 is closer to the Pt/C the catalytic efficiency of the catalyst. While，the catalytic of FePc is poorly.

Key words: A microbial fuel cell (MFC)；cathode catalysts；nanostructure；output power

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1能源发展与环境问题 1

1.2 微生物燃料电池 1

1.2.1 微生物燃料电池的工作原理 1

1.3 微生物燃料电池的电极 3

1.3.1 MFC的阴极催化剂 3

1.3.2 可代替铂的非生物阴极催化剂 4

1.4 微生物燃料电池的应用前景 5

1.5 本课题研究内容，目的及意义 6

1.5.1 本课题研究目的及意义 6

1.5.2 本课题的主要研究内容 6

第二章 实验材料与方法 7

2.1实验材料 7

2.1.1主要试剂及仪器 7

2.1.2实验装置 8

2.2实验方法 8

2.2.1 MFC中的阴极的制备 8

2.2.2 MFC的接种及启动运行 9

2.2.3 MFC运行条件 10

2.2.4 测定指标及方法 10

2.2.5 实验材料处理方法 11

2.2.6 实验内容 11

第三章 结果与讨论 12

3.1 各个周期三种阴极对应的输出电压情况 12

3.2 不同阴极材料测定期的输出功率特征 14

3.3 不同阴极材料测定期的电极电位 15

3.4 不同阴极材料测定期的极化曲线 16

3.5数据曲线的分析与讨论 17

第四章 结论与展望 18

4.1结论 18

4.2展望 18

参考文献 19

致谢 21

第一章 文献综述

1.1能源发展与环境问题

能源是人类赖以生存的物质基础，它不仅关系着人类的生活与发展，更决定着科技的发展和社会的走向，人类开发各种不同的能源和利用这些资源推动了社会文明的发展。世界经济在20世纪50年代后爆发的石油危机中受到了重创，伴随着人类对自然界无穷无尽的索取，最终使得人类面临着两大严重问题：能源耗尽和环境污染。 人们对各种自然资源的无止尽的利用，导致了能源的短缺，“能源危机”这一话题从此在全球范围内广泛关注和重视。，与此同时，由于各种各样人为原因，地球变得一天比一天脆弱，环境问题也成为了全球性的问题。目全球性的环境问题主要包括:臭氧层的破坏、大气的污染、酸雨、温室效应、全球气候的变暖、放射性物质的污染、海洋的污染、海洋生态系统的破坏、生物多样性的减少等，其中全球气候变化、大气污染、酸雨、海洋污染以及海洋生态系统的破坏等十分严重的环境问题受到了全球各地的高度重视。许多能源的开采加工或者利用都和这些问题有着不可分割的联系^[2]。如今能源与环境问题日益突出，如果要从根本上解决能源和环境问题，那么人类必须开发清洁、绿色的可持续能源。反之，如果相应的问题得不到解决，那么不光是社会经济受到巨大影响，人类赖以生存的生活空间也会遭到破坏，当务之急，对于能源和环境问题，人们应该更加重视，世界各国也要采取相应的政策和方案来解决这两大问题。

1.2 微生物燃料电池

微生物燃料电池（MFC）是利用酶或微生物作为催化剂，通过这些微生物的氧化代谢作用，氧化分解可利用的营养物质并同时产生电能的一种新型装置。MFC可以把生物质中的化学能直接转化成为电能，这种方法是通过了生物化学转化的方式，从而获得了更高的能量转化效率，这不仅可以缓解当前能源危机和解决环境问题，而且通过合理的开发改进和优化之后，也是一种在未来能够缓解能源和环境问题的有效途径，MFC的出现和发展不仅受到了科学界和科研工作者的广泛关注，而且也是环境能源领域的热点研究课题之一。

1.2.1 微生物燃料电池的工作原理

微生物燃料电池的核心是将微生物生命活动所产生的化学能转化为电能。它主要利用微生物作为反应的主体，在反应器中利用微生物的生命活动从而产生代谢产物作为物理电极的活性物质，导致电极的电位发生偏移，电位差也随之提高，最后产生得到了电能，原理及应用如图1-1所示：

图1-1 微生物燃料电池及其应用原理图

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