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摘 要

阴极催化剂是影响微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）性能的重要因素。贵金属催化剂Pt/C目前用于MFC中，虽催化效果优异但价格却过于昂贵。本文综述了近几年来微生物燃料电池中非生物阴极氧还原催化剂的研究进展。实验过程中，以厌氧污泥做初始接种体，启动了微生物燃料电池，经400小时的驯化，获得最大电压为530mV。使用两种材料G-FePc和G-L-FePc作为催化剂，以石墨烯和Pt/C作为对照组，从微生物燃料电池产电性能和电极电位这两个方面进行分析，得出了不同催化剂催化氧还原的效率。实验结果表明,G-L-FePc比G-FePc的催化氧还原的效率更高，其最大输出功率300 mW/m²，而G-FePc的催化效率只有200 mW/m² ,与铂碳（740 mW/m²）相比仍然有一定差距，还需要进一步对

此类催化剂进行研发。

关键词：微生物燃料电池，氧还原，阴极催化剂，产电

Abstract

The cathodic catalyst act as an important role in the electricity generation of the microbial fuel cell ( MFC).But the cost of the catalytic activities of precious metal ,such as Pt, is so expensive that it can not be used extensively.This paper reviews the research progress of abiotic cathode oxygen reduction catalyst for the past few years in MFC. A direct fuel cell was constructed by taking anaerobic activated sludge as the initial inoculate,the maximum voltage of 530mv(1000Ω) was achieved after inoculating for 400 hours.Using two different kind of catalyst named G-FePc and G-L-FePc which are compared with graphene and Pt / C between microbial fuel cell performance and catalytic properties, a conclusion will be drawn that which one has a higher catalytic efficiency in catalytic oxygen reduction.The results shows that, the catalytic efficiency of G-L-FePc (300mW / m²)is higher than G-FePc (300mW / m²) and graphene. But there is still a certain gap when compared with the catalytic efficiency of pt(740mW / m²), so the catalyst needs to be further optimized.

Keywords：microbial fuel cell,oxygen reduction,cathode catalysts,electricity production

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

1.2.2 MFC与其他燃料电池相比的优势及现状 2

1.2.3影响MFC电能输出的因素 2

1.3 微生物燃料电池阴极催化剂 3

1.3.1过渡金属大环化合物 3

1.3.2金属氧化物 3

1.3.3其他 3

1.4微生物燃料电池阴极催化剂载体 4

1.4.1石墨烯 4

1.4.2碳纳米管 4

1.4.3碳基纳米材料 4

1.5结论与展望 4

1.6 本课题研究内容、目的及意义 5

1.6.1 本课题研究目的及意义 5

1.6.2 本课题的主要研究内容 5

第二章 实验材料与方法 6

2.1实验材料 6

2.1.1主要试剂、仪器及材料 6

2.1.1.3主要材料 7

2.1.2阴极的制备 7

2.1.3微生物燃料电池装置体系 8

2.2实验方法 8

2.2.1 MFC启动 8

2.2.2 MFC运行条件 9

2.2.3 测定指标及分析方法 9

2.2.4实验内容 10

第三章 结果与讨论 10

3.1微生物燃料电池的启动 10

3.2 MFCs成功启动后各周期输出电压的情况 11

3。2 输出功率的比较 13

3.3电极电位 14

3.4 极化曲线 16

第四章 结论与展望 17

4.1结论 17

4.2展望 17

参考文献 18

致谢 19

第一章 文献综述

1.1.能源发展与环境问题

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。自从19世纪70年代工业革命以来，化石燃料的消耗量迅速上升。最初以煤的利用为主，逐渐进入以石油天然气消费为主的时代。据相关媒体报道，到2050年全球的石油和天然气能源的储备将面临严重不足的局面，因此不可再生能源的过度使用和有限的储备量之间的矛盾将逐渐成为限制未来工业迅猛发展的主要矛盾。预计进入21世纪后期，化石燃料如煤、石油和天然气等不可再生能源将日渐衰竭，可能不能维持几十年。伴随着世界能源衰竭，各国对能源需求将越发强烈，激起全球性的能源争夺，使得争夺方式更加复杂，因能源紧缺而发生的冲突和战争将更加频繁。我国还属于发展中国家，处于工业化发展的关键时刻，然而就目前能量的有效利用方面，还和发达国家有一定的差距，能源消耗及浪费大大多于美国等发达国家。工业化带来经济发展、生活条件提高的同时，也带了环境污染的问题，例如，目前国际社会关注的重要的全球性问题，特别是全球气候变化，空气污染，水体污染等。若能源及环境问题得不到有效的解决，人类生存环境、生活质量和人类身体健康都将受到严重损害。因此现在寻找问题出路的最好方法是建立能源与环境相互协调的双赢道路即强调能源与环境的关系，注意环境保护的重要性^[1]。

1.2微生物燃料电池

微生物燃料电池( MFC) 是利用微生物作为生物催化剂将化学能直接转化为电能的一种装置^[2]。电能产生的同时，微生物利用环境中有机废物。若将此技术应用于有机污水的处理中，则既能缓解当前能源危机同时也可有效解决环境问题 。因此，MFC迅速成为科学家研究的热点^[3，4]。

1.2.1 微生物燃料电池的工作原理

微生物燃料电池的工作原理如图1-1所示，微生物氧化阳极室里的有机物，产生电子传递到电池阳极，电子通过外电路传递到阴极，与此同时质子通过质子交换膜到达阴极，与空气中的氧反应生成水，形成回路产生电流。以葡萄糖为例，其反应式如下：

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