鐵(Ⅲ)氧化物修飾微生物燃料電池陽極及其電容特性研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbialfuelcell，MFC)在污水處理的同時(shí)可回收清潔能源——電能，是一種真正意義上的可持續(xù)的綠色能源技術(shù)，成為當(dāng)今世界科學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)之一，為合理解決水體污染以及能源危機(jī)問題提供了新思路。然而考慮到MFC的未來應(yīng)用，存在著功率密度低、電極成本高等諸多問題，其中陽極與電化學(xué)活性微生物間的電子傳遞過程成為關(guān)鍵限制因素。
　　MFC陽極的電化學(xué)活性微生物主要由異化金屬還原菌構(gòu)成。研究指出鐵(Ⅲ)氧化

2、物與異化金屬還原菌的胞外細(xì)胞色素C具有高度親和性，能夠作為電子受體而被還原;此外，不銹鋼網(wǎng)金屬集流體的機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)電性能優(yōu)于常規(guī)碳電極，成為目前電極材料發(fā)展的主方向。
　　本論文首次以不銹鋼網(wǎng)作為集流體，超級(jí)電容活性炭作為陽極微生物的載體，采用輥壓工藝，通過聚四氟乙烯乳液的粘結(jié)作用，開發(fā)了新型陽極(AcM)，以乙酸鈉人工模擬廢水為底物，構(gòu)建單室無膜空氣陰極微生物燃料電池。研究表明，AcM價(jià)格相對(duì)低廉，機(jī)械強(qiáng)度高，與陽極為碳纖維布

3、的相同構(gòu)型的MFC體系相比，其輸出功率略高3.0％，可見該新型陽極有利于MFC技術(shù)的市場化推廣，商業(yè)化應(yīng)用前景廣闊。
　　納米半導(dǎo)體α-FeOOH修飾AcM電極，電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)MFC體系極化內(nèi)阻減小、交換電流密度及陽極峰電流增加，表明α-FeOOH促進(jìn)了陽極與微生物間的電子傳遞;陽極常相位角元件增加、韋伯阻抗減小，表明α-FeOOH提高了陽極表面電子擴(kuò)散能力，增大了陽極電容;在α-FeOOH質(zhì)量百分含量由O、2.5％增長到5.0％

4、時(shí)，MFC體系的最大輸出功率密度從508±40mW/m2上升到637±51mW/m2、并進(jìn)一步增加到693±20mW/m2，然而α-FeOOH含量繼續(xù)增加到7.5％時(shí)，最大輸出功率密度反而下降到639±30mW/m2，原因可能是生物還原的Fe(Ⅱ)吸附沉積在電極表面，降低了陽極的導(dǎo)電性、擴(kuò)散性及電容性能。
　　針對(duì)納米Fe3O4修飾的AcM陽極(AcFeM)，電化學(xué)Tafel測試表明AcFeM的動(dòng)力學(xué)活性增加，最大輸出功率密度由6

5、64±17mW/m2(AcM)上升到809±5mW/m2(Fe3O4wt.％=5.0％)，提高了約22％;此外，本論文首次提出體系中Fe3O4的動(dòng)力學(xué)活性起主導(dǎo)作用，證實(shí)Fe3O4的存在提高了MFC陽極的電容存儲(chǔ)性能，且其電荷存儲(chǔ)能力隨MFC開路間隔的增加先增加后減少;當(dāng)開路時(shí)間為20min時(shí)，AcFeM獲得的最大電荷存儲(chǔ)量為574.6C/m2。電化學(xué)循環(huán)伏安技術(shù)分析表明AcFeM的電容主要來源于碳的孔隙結(jié)構(gòu)、陽極生物膜的類電容性以及可

6、能充當(dāng)固體中介體的Fe3O4/Fe(Ⅱ)氧化還原電對(duì)。
　　MFC極化曲線性能逆轉(zhuǎn)的存在降低了其性能評(píng)估的準(zhǔn)確性，基于陽極生物膜的類電容特性，以超級(jí)電容活性炭、普通活性炭、導(dǎo)電炭黑制備了電容大小不同的陽極UAC、PAC和CB1，研究了陽極材料電容對(duì)MFC極化曲線性能逆轉(zhuǎn)的影響。結(jié)果表明，UAC的無菌陽極電容(Cmabiotic)最大(2.1F/cm2)，在Cycle2～4內(nèi)，UAC-MFC體系的極化曲線均未出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象;而PAC的

7、Cmabiotic次之(1.6F/cm2)，PAC-MFC體系的性能逆轉(zhuǎn)在Cycle3時(shí)消失;CB1的Cmabiotic最小(0.5F/cm2)，CB1-MFC體系的性能逆轉(zhuǎn)在Cycle4時(shí)才得到消除，從而提出陽極材料的孔結(jié)構(gòu)充當(dāng)中介體而存儲(chǔ)電子的作用機(jī)理，借以消除極化曲線的性能逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。
　　為證明上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信性，對(duì)另一種小電容的炭黑材料(CB2)進(jìn)行KOH、HNO3的化學(xué)活化處理，并與5％的Fe3O4粉末制備成復(fù)合陽極，