石墨烯和碳納米材料改性陽極在MFC中的應(yīng)用.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一種利用產(chǎn)電微生物的催化作用將無機(jī)物或有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，具有清潔無污染、產(chǎn)電同時處理廢水等特點。然而，較小的輸出功率限制了MFC的實際應(yīng)用。產(chǎn)電微生物與陽極之間的電子轉(zhuǎn)移速率是決定電池性能的重要因素。陽極材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)對產(chǎn)電微生物的附著、電子的傳遞以及底物的氧化密切相關(guān)。由于石墨烯與碳納米材料具有較高的導(dǎo)電性和大的比表面積，使其在電池及電催化方面都有廣泛

2、的應(yīng)用。
　　本研究中，制備了石墨烯和碳納米球，并對其進(jìn)行表征，然后制備成MFC的改性陽極，考察了利用改性石墨材料作為MFC陽極的可行性，及對產(chǎn)電性能的影響。主要研究內(nèi)容及實驗結(jié)果如下:
　　(1)采用密閉氧化法制備氧化石墨和氨-肼復(fù)合還原法制備了石墨烯，并利用石墨烯制備成改性陽極，研究了石墨烯與粘合劑PTFE乳液的最佳配比，并應(yīng)用在MFC中測定其電化學(xué)性能。采用UV-可見、XRD衍射、FTIR、SEM對石墨烯材料進(jìn)行了表征

3、。結(jié)構(gòu)分析表明，所得到的石墨烯很薄，表面為片狀褶皺結(jié)構(gòu)，但石墨烯表面還有C-O等部分含氧基團(tuán)殘留。性能測試表明:當(dāng)石墨烯和PTFE乳液質(zhì)量體積比為1∶20時改性電極的比表面積最大;潤濕性最好，接觸角為95°;電荷傳遞電阻為52.05Ω，更容易發(fā)生氧化還原反應(yīng)。應(yīng)用到MFC中其輸出功率、輸出電壓、功率密度、電極氧化還原性、電池穩(wěn)定性都有所增加，內(nèi)阻為85Ω，降低了7％，對陽極液COD的去除率達(dá)到81％，最大功率密度為424mW/m2，比未

4、改性電極MFC提高了8％。
　　(2)采用低溫水熱炭化法制備了碳納米球并利用碳納米球制備成改性陽極，并將其應(yīng)用到MFC中。考察了葡萄糖初始濃度、溫度、時間對生成碳納米球的影響，結(jié)果表明:在葡萄糖溶液初始濃度為1.5mol/L，200℃下反應(yīng)16h得出的碳納米球效果最好，有機(jī)物由液相轉(zhuǎn)移到固相中的最多，COD轉(zhuǎn)入率提高到90％左右，固體量增加到11g左右，碳值提高到65％左右。SEM和FTIR分析得到碳納米球直徑為100nm，表面含