不同阳极材料的微生物燃料电池产电性能的研究汇总

1、论文题目：不同阳极材料的微生物燃料电池产电性能研究学院：年级：专业：姓名：学号：指导教师:摘要微生物燃料电池是一项新工艺，在节能减排上有广阔的发展前景。微生物燃料电池(MFC)是利用阳极产电微生物为催化剂降解有机物直接将化学能转化为电能的装置。在MFC系统中，阴阳极的电极材料是影响产电性能的核心要素之一。本课题介绍了MFC中阳极材料的相关研究进展，分析了不同阳极材料表面的产电微生物、产电过程、产电机理和产电能力的区别，为MFC阳极材料优化、产电微生物的富集、MFC构型改造等组合提供思路，着重讨论了不同阳极材料对微生物燃料电池的产电性能的影响，从中筛选出产电效率高的阳极材料，推动微生物燃料电池相

2、关研究的发展。关键词微生物燃料电池；产电微生物；阳极材料；产电性能2AbstractMicrobialfuelcellisanewtechnologyinenergysavingandemissionreduction,andithasbroadprospectsfordevelopment.Microbialfuelcell(MFC)istheusesofanodicmicrobialcatalystdegradationoforganicmatterdirectlyconvertchemicalenergyintoelectricalenergydevice.IntheMFCsystem,

3、anodeandcathodeelectrodematerialisoneofthecoreelementsoftheelectricityproductionperformance.ThispaperintroducestheMFCanodematerialintherelatedresearchprogress,toanalyzedifferentanodematerialonthesurfaceoftheelectricigens,electricityproductionprocess,electricitygenerationandelectricitygenerationcapac

4、itydifference,asMFCanodematerialsoptimization,microbialenrichment,MFCconfigurationtransformationandthecombinationofideas,discussedthedifferentanodematerialsonmicrobialfuelcellpowergenerationperformanceinfluence,fromthescreeningreportofproductionofhighefficiencyofanodematerials,topromotethedevelopmen

5、tofrelatedresearchinmicrobialfuelcell.KeywordsMicrobialfuelcell;Electrogenesismicroorganism;Anodematerials;Electricityproductionperformance目录摘要.AbstractII前言1.1 .绪论3.1.1 课题的背景 世界形势 中国形势3.1.2 微生物燃料电池的产电基本原理 微生物燃料电池的种类 直接微生物燃料电池的构造.5.1.3 不同的阳极材料 碳材料 导电高聚物7.1.3.

6、3 碳纳米材料/导电高聚物 金属和金属涂层 非金属和非金属涂层8.1.4 课题研究的主要内容.8.1.5 课题研究的目的和意义 课题研究的目的 课题研究的意义9.2 .实验材料与方法102.1 MFC的实验药品和实验仪器1.02.1.1 实验药品102.1.2 实验仪器102.1.3 实验装置112.2 性能的测试和分析方法112.2.1 广角X射线粉末衍射（XRD122.2.2 LSV的电化学测定 库仑效率和电流密度的测定122.2.4 极化曲线和比表面积的测定132.2.5 循环伏安曲线和功率曲线的测定1.43 .不同

7、阳极材料对产电效果的影响153.1 实验中所用阳极材料的性质分析153.1.1 FaO4/C-J的性质分析 FeO4/C-P的性质分析173.1.3 FaO4/C-YK的性质分析1.93.2 电极电位 铝电极的电压-电流关系213.2.2 铁电极的电压-电流关系22结论23.参考文献24.致谢错误！未定义书签。不同阳极材料的微生物燃料电池产电性能研究刖百21世纪是绿色的世纪，可持续发展的世纪，然而随着人类智力的提升，科学技术不断的革新，环境问题成为严重制约人类社会发展的因素。生态，环境，能源等问题已经被提上日程，但是重视力度仍然不够，尚需各国持续不断的共同努力。

8、由于工业的日新月异的发展，导致了气候变化，粮食短缺和化石能源的危机。臭名昭著的世界八大公害事件，用血的事实向人类证明环境问题已经刻不容缓。全球的水污染，大气污染，噪声污染，资源浪费相当严重。如何科学，合理，节约地使用不可再生资源，直接关系到国家的能源安全。全球的水污染，大气污染，噪声污染，资源浪费相当严重。如何科学，合理，节约地使用不可再生资源，直接关系到国家的能源安全。在化石燃料的开采、运输、使用、排放的过程中，怎样做到清洁生产，即从源头到坟墓的无害化，资源化，减量化，是当前科学家们致力研究的重要方向。不可再生能源的形成是几十万年甚至几十百万年固定在岩石层中的太阳能。具形成是一个漫长而渐变的

9、过程。而人类开采利用的速度快的惊人。这样滥采乱伐，在一二百年之后，子孙后代将面对资源和能源枯竭的局势。因此，必然促使人类研制再生且绿色环保能源。现阶段，控制污染技术很多，其中包括物理技术，化学技术，生物技术等，但是集消除环境污染和发电产能于一身的微生物燃料电池技术，是各国科学家共同青睐的，而且他们争先恐后的进行相关科研，试图探究一种缓解能源危机的可行途径。众所周知，人类的生活离不开衣食住行，能源的作用于人类无疑是鱼和水的关系。不仅是人类存在的基础，而且在促进经济发展，提高人类精神文明方面，也起到了举足轻重的作用。随着物质文明建设的吐火如荼的进行，人们对能源的需求在日益增加。纵使如此，能源浪费问

10、题还是相当严重，是个迫在眉睫的事情。近几十年来，对化石燃料特别是煤炭和石油的过度使用，不仅导致环境污染，更是引起了全球的能源危机。精神文明建设的长足发展使人们的环保意识不断增强，他们逐渐认识到化石燃料的不可再生的严峻性和污染的严重性。可再生清洁能源的研发和推广使用已是刻不容缓的甚至是关系国计民生的大事。潮汐，地热，生物能，风能，水能，太阳能、等可再生能源的发现及研发将引发一场轰轰烈烈的能源革命。目前，可再生能源品种不少，但是绿色可再生能源可以在商业上推广的并不多。其中作为一种未来可能替代化石燃料的清洁环保能源一一生物质能，被大家青睐。在各种生物能源中，微生物燃料电池作为一种新兴的高效的生物质能

11、，具有广泛的使用价值和高效的环保价值。创新人士将生物质能应用于燃料电池，这类发展和相关研究越来越受到公众的关注。大力研发和高效利用生物质能源，不仅可缓解能源危机，同时可促进生态环境向着良性循环发展，对实现可持续发展具有重要意义。生物质能源是指大自然中动物，植物，微生物等有生命的各种有机生物，它们本身蕴藏一定的能量，并可以通过某种机制转化成不同形式的能量，伴随物质循环实现大自然的能量循环。在微生物燃料电池(MicrobialFuelCell,MFC)中，微生物在催化剂的作用下将有机物分解为无机物，伴随着物质的转化，化学能转化为电能。生活污水和工业污水中含很多有机物，这些微生物都被可以利用。微生物

12、燃料电池消耗污水中的有机物，通过生物代谢作用，实现能量的转化，是一种绿色能源，它的特征如下：(1)原料广泛：可利用多种底物。(2)条件温和：安全可靠。(3)环保无污染：唯一产物水。(4)不需外输能量：实现生物能到电能的转换。(5)能量可实现循环。(6)可用于污泥和污水的处理中，变废为宝，节能减排。王黎，姜彬慧.环境生物燃料电池理论技术与应用M. 2010, 252-280.1 .绪论目前，石油和煤炭等传统化石燃料资源面临着储量严重短缺，开采环节复杂，利用方式效率不高，不可再生和燃烧后产生大量污染气体等严重问题。面对现代出现的各种棘手难题，环境保护的呼声也越来越高涨，要求政府和社会各界共同努力，

13、以实现可持续的发展。当今世界各国的能源战略和能源科技发展都加入了绿色的能源科技要素，人们正在试图改变20世纪建立的以石油和煤炭为基础的庞大能源体系，在能源循环利用的路上奋斗不息。1.1 课题的背景社会是个动态发展的社会，时时刻刻都发生着变化。科学技术随社会的需要而发展。污染和浪费事件频繁发生，要求绿色和环保的呼声越来越高。能源危机的加剧使得微生物电池的研究成为当今世界当之无愧的热点问题。该电池除污产能既环保又有效益。1.1.1 世界形势很久以前就出现了微生物燃料电池。英国植物学家Potter1是开展微生物燃料电池相关研究的开山鼻祖，他通过酵母和大肠杆菌试验，得出利用微生物可以产生电流的结论。不

14、久后，很多人都尝试相关方面的实验，并大胆的把微生物做催化剂，在有机物质分解的同时获得能量。最早的细菌电池是由美国的科学家研制的。它利用尿液并把微生物作为阴阳极的活性材料，供太空飞船使用，不过电池的效率不是很理想。随着细菌发电的进展，人们利用细菌在电池组里分解生物有机物质，并利用在电极间微生物催化的氧化还原反应。好养和厌氧微生物在自身代谢过程中，将污水中的有机物降解掉，同时产生电子转移，在完整的回路中形成电流。微生物燃料电池由于其除污产能的优势，在将来的发展前途是不可限量的。1.1.2 中国形势中国各大高校也纷纷加入微生物电池的潮流，其中以哈尔滨工业大学的相关研究较多且较前沿。微生物燃料电池既能

15、暂时缓解能源危机，又能在污水污泥的处理中发挥重要作用，因此它是一项绿色环保的新工艺，发展前景十分可观。例如中国科学院成都生物研究所应用与环境微生物中心李大平研究员课题组在微生物燃料电池的产电机制研究方面取得突破性进展。他们发现在中性偏碱网的环境条件小，假单胞菌能够降解有机物，同时产生电能。1.2 微生物燃料电池的产电基本原理众所周知，微生物能够降解有机物，伴随物质的转换过程，能量也发生变化。植物储存在体内的能量是太阳辐射的太阳能，我们把该过程称做光合作用。微生物将氧化还原反应产生的电子通过外电路传递到阴极上，该过程伴随电流的产生，这样的装置称为微生物燃料电池4。电池顾名思义就是产生电能的装置，

16、微生物燃料电池自然是通过微生物是实现的。电池由正极和负极构成。用半透膜把反应器隔开，形成两个小容器，这样的称为两室电池，没有存在隔膜的称为单室电池。根据阴极和阳极有无微生物参与反应电池可以分为生物阴极、生物阳极和生物双极。微生物新陈代谢，将有机物分解合成，此过程有电子的转移，通过导线作用，构成回路，就能得到电流。这在本质上是化学上的氧化还原反应。1.2.1 微生物燃料电池的种类一、直接微生物燃料电池5直接微生物燃料电池顾名思义是指电子直接传递，不需要介体。微生物细胞膜的成分是有机高分子不导电物质，正是由于这些材质所致，电子过不去。先进的微生物燃料电池一般需要导管体，导管体的导电性能对库伦效率影

17、响很大，不过有个缺点是价格不菲。直接为生物燃料电池能够推广是因为各种膜材料大多都有毒且不稳定。随着科学的发展，近几年，几种具有特殊性质的细菌被人们陆续发现。没有中间隔膜时，细菌氧化还原中的电子可以直接传到电极上，在回路中产生电流。电池的发展是个怎么样的前景，谁也说不清楚，有合适的材料，价格也合理，就会发展。没有材料也不可能发展，这是众所共知的。商业上的推广盈利，电池应具备结构简单，效率高，无污染，可循环使用等优点。、间接微生物燃料电池间接微生物燃料电池自然跟直接电池有区别，中间有了个导体膜做辅助。电子从阴极导到阳极，电子获得于生物新陈代谢过程中。有机物是许多科学家常用的燃料。不同种属的微生物在

18、不同的情况下都能被用作催化剂。但是许多实际可行性太差，没有推广的价值。间接生物燃料电池的工作原理是污染物在胞外酶的催化下，实现氧化还原过程，伴随该过程释放的电子，在导体膜的作用下运动到正负极。1.2.2 直接微生物燃料电池的构造该电池的结构简单与否和设计是否合理，决定了它的推广程度。双室型微生物燃料电池应用广泛，有阴阳两个级室。正极和负极并没有相连，他们之间存在一定的距离，需要有导体协助电子走过去一一即传过去。一、阳极和阳极室激活过程和传递过程是两个重要的过程。微生物属于哪个种属，有什么特征，以及微生物的量的多少严重影响激活过程，激活过程就是通常所说的活化的程序。阳极就是电池的正极，正极电势高

19、；阴极就是电池的负极，负极电势低。正极和负极再加上电线构成回路，就有电流产生，这就成了电池，可以对外供电了。电流从正极流到负极，电子从阴极传递到正极。纯碳及在碳电极表面修饰金属氧化物是目前微生物燃料电池的阳极材料。将阳极分为填料型和平板式两种是根据阳极的具体形式定义的。在容器中填点材料，就构成了新式的阳极。表面积大了，许多微生物有了附着床即生物床，它们大量繁殖，生物量多了，电子也多了，电子密度就大了，电压也大了，电池就优化了。用平行板也可以做成阳极，阳极有个不好的是体积太大了，占地太大，不方便。液体来来回回的流动，还需要搅拌，否则影响传递过程。功率密度和电流密度都可能受到严重影响。来回流动即对

20、流。速度梯度、分子扩散、湍流扩散等多种因素的影响流态。二、阴极和阴极室电池的阴极能够把电子传递给接受电子的物质，实现化学反应，其中有催化剂存在并发生关键作用。以产电密度为准绳，我们做出结论氧气是做阴极合适的材料。这样的电池功率密度高，电流大，效率高。三、分隔材料常用的分割材料很多，例如玻璃纤维、盐桥、质子膜、玻璃珠和碳纸等。然而有一部分材料效率太低，很多人不愿意使用，一点一点的退出研究领域。什么样的材料能占得一席之地，那就是效率高，损失小。半透膜要保证阳极的真空状态，这样内阻就会很小。另外，就隔膜材料而言，两室型微生物燃料电池的构型十分的繁琐，而一室型微生物燃料电池省略了阴极室，氧气作为电子直

21、接受体时传质阻力小于两室型微生物燃料电池。优化阳极，阴极和隔膜材料性能，可以提高微生物燃料电池的产电能力。四、评价系统微生物燃料电池是一种通俗意义上装置，它的用途是产生电能。电池的外形结构，电池的运行方式及外接电器的电压高低是主要影响对外供电能力的因素。任何电器都不能超过最大工作电压，负载应该有个维护的合适额定电压。当负载电阻值过小时，电流与电压成反比；当负载电阻值过大时，电流与电压成反比，一大一小。要保证最优化的电池运行效率，自然是各项指标的同时满足最优化的条件下，这样才能实现。极化曲线是以电流为X轴，以电压为Y轴，作图表示二者之间的关系。人们通过大量实验，总结出了许多评价微生物燃料电池性能

22、的参数，如电极电势、功率、功率密度、功率曲线、库仑效率、增值产率、COD和BOD浓度变化等。1.3 不同的阳极材料MFC以外形结构为依据，人们习惯分为一个室微生物电池和两个室微生物电池。Kim7等比较了单室MFC和双室MFC的产电效果。对于以厌氧污泥为活性微生物，乙醇为底物的MFC,单室的功率密度比双室高（单室488±12mW/m2,双室40i2mW/m2）。这是因为单室MFC无分隔材料和阴极液，内阻较双室小。但是单室MFC的库仑效率（CE）比双室低（单室10%,双室42%-61%）。氧气可以在阴阳极之间运动，实现电子的转移。氧充足时，好氧微生物发挥作用。产电微生物附着的载体作为阳极

23、，能大幅度影响MFC的产电性能。对阳极材料的研究可以提高电池的产电效率，功率密度，库伦效率。通过各种修饰作用，采用不同的炭布和各种纤维，并根据微生物的生活特性，只要能提高电量，材料易得，容易推广，这就完成了主要的任务。高附着量，最小的损失。当前有多种材料可以作为阳极，关键是效果优劣的问题。MFC阳极材料来源广泛，许多碳材料都可以满足条件。提高微生物燃料电池的产电效果可通过改善阳极材料的孔面积，也可以进行氨气处理。将纳米复合材料应用于电池的阳极，是一个新的研究领域。1.3.1 碳材料微生物燃料电池的阳极同时存在微生物和化学物质，多种物质发生反应其复杂性不言而喻，自然是化学燃料电池无法企及的。因此

24、，阳极材料还必须要有良好的生物适应性、优异的导电性能、抗腐蚀性能、高比表面积和高孔隙率。网状玻璃碳表面积大，可提高微生物的附着量，用作阳极。网状玻璃碳是通过碳化含合成树脂和发泡剂的聚合体得到的重要材料。因其卓越的物理结构和突出的搞机械抗力、多孔性、生物适应性和相对高的导电性而广为人知。如果价格再合适就可以推广。在富勒烯结构族中，圆柱形纳米和碳纳米管结构的碳是碳元素构成的不同单质。在微生物燃料电池研究中，引入了碳纳米管来评估其对废水中菌群的生物兼容性和阳极表面细菌生长期的影响。表面性质跟比表面积有很大关系。比表面积大的提高主要是为了提高吸附在电极表面的细菌密度。纳米材料的研究和生产显得十分的具有

25、前景。许多科学家做了相关的研究。得出的结论很多，也取得了十分可观的进展。而且已经应用到电池中，工作效率有所提高。碳布在氮气的处理过程中，内部结构中的孔径变小，孔数增多，表面性质发生改变，促使细菌在电极的吸附，电子在两极间的传递。1.3.2 导电高聚物导电高聚物是一种新式的材料，有很多优点。它的发展前景十分可观。我们把具有良好导电性、稳定性和生相容性的聚叱咯视为最新的所有导电聚合物研究中一个最具吸引力的材料。理论和实践已经证明，提高MFC阳极的比表面积可以提高电池的工作效率。不久前Niessen8等采用氟化聚苯胺作为阳极材料，氟化聚苯胺的使用，大大提高了电池的功率密度和电池效率。他们的研究解决了

26、催化剂中毒的问题，改善了催化效果。这种很好的材料受到人们的青睐。具优点很多，不仅性能上效果好，价格上也很理想。1.3.3 碳纳米材料/导电高聚物导电高聚物和纳米材料有很好的孔隙结构，比表面积，脆度高，抗人性能好。具备了制作电极的诸多优势。在电极材料方面的发展是很有前途的。复合材料的性能好，所以在研究中受到青睐。可以通过修饰加以改善某些性质。它们的导电性能都很好。不容乐观的是，有关报道称，碳纳米管具有化学毒性，可能导致抑制细胞增殖和细胞死亡。通过修饰可以降低对细胞的毒性，为材料的推广拓宽道路。许多人已经尝试了用碳布附着催化剂来改善性能，取得十分可观的结果。这种复合材料的研制大大提高MFC产电效率

27、9。采用纳米复合材料可以作为一种高效能，低成本的阳极材料，它的应用前景令人欣喜。1.3.4 金属和金属涂层碳材料的各种金属和金属涂层10在MFC中的应用研究尚不完善。在碳布的表面上附着铁的各种氧化物，改善了细菌的繁殖速率和代谢速率，不过没有提高最大功率。此种电极用于双室MFC中时，由于内阻较高，产电效果并不理想，不具有可操作性和可推广性。1.3.5 非金属和非金属涂层科学家们想了许多方法，试图通过使用非金属材料提高阳极效果。目前最成功的提高产电性能的方法是氨气修饰碳布电极法110通过修饰作用，碳布的表面性质大大改善，从而提高了导电性能。1.4 课题研究的主要内容本研究以单极室MFC反应器构型为

28、基础，研究不同阳极材料对其产电性能的影响。主要研究内容包括：阳极材料的比较主要是考察几种新型阳极材料应用于MFC的产电效率。通过电池电位、阳极电位、库仑效率、电流密度和功率密度等运行参数，比较不同阳极材料的MFC产电效果。以碳布阳极的MFC运行效果为对照，选择效果最佳的阳极材料做进一步研究。1.5 课题研究的目的和意义现在的MFC不太实用，效率太低，根本无法跟其他电池相媲美，因此商业上的优势更是无存谈起。如何提高产电能力关乎MFC的兴衰成败。因此现阶段和今后的一段时间努力改善阳极的比表面积，提高MFC的产点效率是主要的任务。本课题的阴极是空气型的，主要探讨不同阳极材料对MFC产电效率的影响。1

29、.5.1 课题研究的目的本课题的研究目的是通过在阳极负载不同的炭材料，增大MFC阳极的比表面积，进而提高生物膜的面积，增加生物量，达到较其他形式的MFC获得更大的电流密度的效果，从而提高反应器效率，搜索出新一点的制作流程和技术。考察几种不同的阳极材料，分别测定他们的性能，比较筛选。选出适宜做阳极的材料。1.5.2 课题研究的意义用石墨颗粒填充时，颗粒间的接触也成了制约反应器效果的因素之一。相对于石墨棒、石墨颗粒等石墨材料，虽然石墨毡的比表面积较大，同时也获得了较大的电流密度，但是其价格也要相对贵一些。为了获得更高的产电效率、更好的将MFC应用于实际工程中，选择出具有低内阻、高机械强度、高比表面

30、积以及廉价的阳阳极材料具有十分重要的意义。当前，能源危机不断加剧，化石能源的耗竭，给研究领域提供了很多方向。争取研究绿色能源，缓解能源危机。272.实验材料与方法2.1MFC的实验药品和实验仪器2.1.1实验药品实验用药品如表2-1所小。表2-1实验药品名称分析纯碳布无丙酮溶液分析纯钳碳石墨FQ/C-JFe3O4/C-PFe3O4/C-YK重铭酸钾化学纯化学纯实验室自行制备的样品实验室自行制备的样品实验室自行制备的样品分析纯浓硫酸分析纯硫酸汞分析纯2.1.2实验仪器实验用仪器如表2-2所示。表2-2实验仪器名称型号多功能消解器万能表玻璃制作单极室测定电压-电流曲线电脑系统SB3150BDT92

31、0无苹果测定库伦效率电脑系统联想马弗炉KSN冰箱海尔超声波清洗器YQ-250B2.1.3实验装置本实验应用的是无膜无介体单室直接微生物燃料电池反应器，该电池主体由有机玻璃制成，为圆柱状，长4cm,直径3cm,有效容积28mL,如图2-1所示，主要由阴极和单室、阴极、阳极、葡萄糖培养液构成，污水从反应器顶部注入、排出。图中所示的反应器的左侧为阳极端，右侧为阴极端，通过导线连接使之与外电路连通，电子得以传递到阴极从而与质子结合生成水。图2-1装置图2.2性能的测试和分析方法MFC技术首先涉及电化学领域，但是由于阳极使用的是活体微生物，它又不同于传统的化学燃料电池，在电化学测试方法上也有一定的特殊性

32、。下面从阳极材料的表征、极化曲线和功率密度曲线的获得、循环伏安和交流阻抗的测试等方面详细介绍本论文中涉及的电化学方法、化学表征方法。2.2.1 广角X射线粉末衍射（XRDXRD是研究物质晶相组成与结构的强有力的表征手段。XRD12利用衍射峰的位置可以决定晶胞的形状和大小，粒子的表面积，以及品格常数等。本论文中所用的广角X射线粉末衍射（XRD）仪器型号为日本理学公司生产的RigakuD/max-IIIB型X-射线衍射仪。测试条件如下：CuKx（入=1.5406?,管电压为40kV,管电流为20mA,扫描速度为8o/min。2.2.2 LSV的电化学测定LSV是一种测定极化曲线的方法。测定指标设定

33、如下：扫描范围：+0.4v-0.3v扫描速率：1mv/s,3次/样；参比电极：绿色电极；工作电极：黑色电极；对电极：红色电极。2.2.3 库仑效率和电流密度的测定一、库仑效率的计算方法库仑效率13,即回收的电子与有机物质能提供的电子总数的比值。库仑效率代表一定时间内，底物能提供的总电子数中用于电能输出的百分数。库仑效率一般用CE表(2-1)CE=Cr/CsX100%式中：Cr外净电量Cs底物电子转移数TC=E/RdtQ(2-2)式中：T单个周期时间E外接电压R负载电阻Cs=FbesV"c/Msi4(2-3)式中：F法拉第常数(96485C/mol)b完全氧化乙酸盐产生的电子数(8mo

34、le7mol)VAn反应器液体体积c每一周期底物浓度的变化值Ms底物的摩尔质量二、产电表征量的计算公式电流密度i=E/RA(2-4)功率密度P=iE(2-5)式中：A为电极面积，这里采用阴极有效面积(7cm2)2.2.4 极化曲线和比表面积的测定一、极化曲线15是分析和描述电池特性的重要手段。极化曲线用来表示电流与电压的关系，改变电路的外阻值，得到相应的电压以及该阻值下的电流。测量时，外负载从开路状态开始有规律的减小(或者从短路开始增加)，可以得到一组有规律的电压数据。之后，基于欧姆定律I=E/Rext可以得到当前电流的有关特性，电流密度何等于电流除以电极面积。为了测定反应器体系的各个部分的产

35、电性能，以参比电极做阳极，阴极或者整个体系的对照。当利用外部可变电阻测定极化曲线时，电流与电位值必须处于稳定的状态下测定。一般这种稳定状态会在10分钟左右出现，不同的电脑测定系统稳定的时间一般不同。假如长时间处于同一外电阻工作运行状态下，就会破坏稳态，这样测得的数据没有什么价值。二、本实验采用气体吸附17(BET)法测定不同阳极材料的比表面积。很多人都用过气体吸附法。有关吸附法的精确定义可参考文献或者百度。这里仅作简要概括：特定的压力下，以某种固体表面的吸附平衡量为表征量。通过各种需要的模型，利用平衡量求出固体材料的比表面积。氮气有很多优点，来源简单和广泛，平衡吸附性能好，基本上所有的实验人员

36、都很青睐它。本论文所使用的N2吸附-脱附等温线的测定(BET)仪器型号为Micromeriticstrument公司生产的TriStarR全自动分析仪测定样品的比表面积和孔径分布。测试是在液氮温度(77K)进行的，测试前样品经过433K热处理8h以上。2.2.5 循环伏安曲线和功率曲线的测定循环伏安法18(cyclicvoltammetry)利用反复扫描，将电压和电流的关系通过图的形式表现出来，直观的反映了电池的性能，从而形成循环式的扫描状态。测试时采用三电极体系19,为了研究阳极的工作状态，故阳极为工作电极，对电极为Ag/AgCl,阴极为参比电极。设定一定的扫描速率。从阳极原电势出发的过程中

37、出现峰的位置为阳极发生氧化反应的电位，反向扫描过程中出现峰的位置为发生还原反应的电位。从极化曲线中我们可以绘制出功率密度曲线，功率曲线是不同电流密度下对应的功率密度曲线。系统开路状态下没有电流，功率输出为零，从此点出发功率密度随电流密度的增加而增加，一直达到峰值。3.不同阳极材料对产电效果的影响本章主要是探讨不同材料制作的阳极材料，并表征它们的各种物理性质，化学性质。然后构建成合适的微生物单极室燃料电池，待电池稳定运行后，测定各种表征电流大小，稳定程度的物理量。3.1 实验中所用阳极材料的性质分析3.1.1 FqOJC-J的性质分析2Theta(deg)图3-1不同炭化温度Fe3O/C-J的物

38、相组成（XRD分析表征晶体材料组成的有效且常用的手段是XRD。我们将复合物Fe3O4/C-J在不同温度下碳化的产物进行了XRD表征，目的是为了研究产物的晶相转变特性。图3-1为复合物Fe3O4/C-J在不同碳化温度下碳化产物的XRD谱图。我们直观的从上图得到信息：Fe3O4的衍射峰随着碳化温度从900c升高到1050c而逐渐增强。当碳化温度升高至1000c时，铁物种以o-Fe、FesO4相存在，说明Fe3O4/C-J中Fe部分转化为o-Fe。a-Fe衍射峰强度最强发生在碳化温度增加到1050c时。另外，从XRD图中可以看出，铁的催化作用使分解的碳石墨化可以看出当碳化温度为900C时就开始有石墨

39、生成了。其中，随着碳化温度的升高，在28=26.2处归属于石墨（002）晶面的衍射峰有增强的趋势，说明石墨化程度逐渐增加。因此，在碳化温度升高的过程中，铁相经历了Fe3O4向a-Fe转化，最终以混合相Fe3O4和eFe形式存在。o20J g3 mrrdeDrhsdAwytnauQ80604020g So /ke mMHnv GT ar1J rO0.0320.0240.0160.008dV/dlog(D)|60<|。 )g mrre mMrov«FOP1- 3Pore Diameter (nm)0-50-M00-'150 ' 200NI""_

40、N 2 Adsorption and desorption I100 . /|uIItitiH0.00.81.0Relative Pressure (P/ P0)270040200dV/dlog(D)Pore Diameter (nm)一 一 N2 Adsorption and desorption1 / iiii】i.I,0.00.81.0Relative Pressure (P/ P0)0.00.81.00.00.81.0RelativePressure(P/P0)RelativePressure(P/P0)图3-2不

41、同炭化温度得到的Fe3O/C-J的N2吸附-脱附和孔径分布图(A-800C,B-950C,C-1000C,D-1050C)Fe3O4/C-J复合材料样品的N2吸附/脱附等温线及BJH孔径分布曲线见图3-3。从图3-3可以清晰地看出，所有样品都具有与IV类吸咐等温线相似的曲线形状，且均呈现较为明显的Hl型迟滞环，说明Fe3O4/C-J复合材料具有类似介孔材料的吸附特征。在相对压力为0.4VP/P。0.7之间等温线有明显的变化，这是因为N2分子在秸秆炭的孔隙中发生毛细作用和凝聚现象所产生的，等温线中的N2吸附/脱附的曲线走势较为陡峭，说明此秸秆炭复合材料具有不是十分规则的介孔结构，孔径可能大部分位

42、于2-50nm之间。温度变化对N2吸附/脱附等温线及孔径分布曲线影响较大，这是由于在不同温度下，碳材料机体被负载纳米晶体侵入后，导致了无定形碳原子的排列而使Fe3O4/C-J产生了不同程度的结构收缩。o 48TEBsm«Ra OTOPeaflreva nntnrosaA umJB42o54o5o o 5 24 4o o 9 63 3o o o diTemperature（C）图3-3不同炭化温度得到的Fe3O4/C-J的比表面积（Sbet）和BJH平均孔径分布分析分析：由图中可以得到样品Fe3O4/C-J-900、Fe3O4/C-J-950、Fe3O4/C-J-1000、Fe3O4/

43、C-J-1050的比表面积分别为390m2/g、400m2/g、480m2/g、370m2/g,BJH吸附平均孔径分别为12.5nm、12.1nm、11.4nm和10.8nm,易知Fe3O4/C炭最佳的Sbet为900c的样品，实验中将选用Fe3O4/C-J-9000的样品为MFC的阳极材料。这种大比表面积的材料，在很多领域（如污染物吸附、特殊物质的提纯与磁性分离、电极材料等）都将有重要的应用。3.1.2 Fe3O4/C-P的性质分析950 c n1000 C1050 C2030405060900 c702Theta(deg)图3-4不同炭化温度Fe3O/C-P的物相组成（XRD分析我们利用X

44、射线衍射来研究碳纳米材料的内部结构和石墨化程度。经过计算机的到某种物质的图谱，图谱中的衍射峰和石墨化程度成正相关。石墨化描述的是晶型的转变程序和阶段。但是该过程中阻力很大，而且亚稳态的形成将阻碍石墨化的进行。图3-4是Fe3O4/C-P在不同温度下的石墨化程度的图。通过改变温度来测定它的石墨化程度。由图可以看出Fe3O4的特征峰的变化不明显，在950c时，特征峰最强，可知在该温度下，石墨化程度最大。石墨化温度是催化石墨化的一个重要因素，石墨化程度越高,晶型排列越整齐，比表面积也越大。0.0200 mTdARKSdA WWKlnauQ0.0150.010500.2dV/dlog(D)100150

45、200Pore Diameter (nm)N Adsorption and desorption1.0Relative Pressure (P/ P0)3202802402001601200.00.81.0Relative Pressure (P/ P )g rnTe mov «php1- 30.027 6 o o o o5 4 30 0 0000Pore Diameter (nm) N2 Adsorption and desorption 13 mvLaenrocauA v,frhau Q0.0140.0120.0100.008C N 2 Ads

46、orption and desorptiong m Grxe mMTO V erop,-I-80502090-mcLaARrnsaA ylnauQ0.0090.0080.0070.0060.005DN Adsorption and desorptiong m F e muLU V ATOP -Pore Diameter (nm)RelativePressure(P/P0)RelativePressure(P/Pq)图3-5不同炭化温度得到的Fe3Q/C-P的N2吸附-脱附和孔径分布图(A-800C,B-950C,C-1000C,D-1050C)纯净的Fe3O4磁性纳米粒子表面性质优异，由于这些

47、性质，他们聚集在一块，半径增大，孔隙增多，比表面积增大不少。不同温度下，吸附、脱附等温线变化很大，是由表面积的改变所致。温度的变化改变了晶体的存在状态，表面性质发生变化。由图3-6中可以得到样品F63O4/C-P-900、Fe3O4/C-P-950、Fe3O4/C-P-1000、Fe3O4/C-P-1050的比表面积分别为480m2/g、545m2/g、390m2/g、280m2/g,BJH吸附平均孔径分别为10.4nm、10.5nm、9.8nm、8.6nm。006TEB2Pso219480405o o2 64 3o o o0 4 83 2 1009950o00050CarbonizedTem

48、peraute(C)图3-6不同炭化温度得到的F&O/C-P的比表面积(Sbet)和BJH平均孔径分布分析3.1.3 Fe3O4/C-YK的性质分析2Theta(deg)图3-7不同炭化温度Fe3O/C-YK的物相组成(XRD分析金属粒子的沉积状态是由载体的表面性质决定的，研究载体的表面化学结构对金属复合材料有重要作用。图3-7是Fe3O4/C-YK在不同的温度下晶型变化的XRD图谱。我们观察到在800c时衍射峰最强，说明在复合材料中磁性粒子的结晶化程度最高。随着温度升高，生成Fe3O4的衍射峰的强度逐渐减弱。当碳化温度升高至1050c时，衍射峰最弱，说明该温度下磁性粒子的结晶化程度最

49、低。50Jlg3 mrrdeposa A wvrlnau Q209060g3 me (e mzxovpB1801)150-g3 m120906030 N 2 Adsorption and desorption0.00.81.0Relative Pressure (P/ P )ylnauQ201 1Pore Diameter (nm)gs mcldARKSd A WW4L nHa u Q1- 2_ 此 Adsorption and desorption0.00.81.0Relative Pressure (P)g3 rncrxe m Ho verar,g3 m

50、claehrbsaAV-rtnauQ一 一 N? Adsorption and desorption0.00.81.0Relative Pressure (P/ P0)9 mer's mulov ATOP1- 30.0250.0200.0150.010Pore Diameter (nm) N2 Adsorption and desorption0.00.81.0Relative Pressure (P/Pq)320)g mev e mMMbv amp1 - 30.0300.0240.0180.012Pore Diameter (nm)1N2 Adso

51、rption and desorptio"0.00.81.0Relative Pressure (PPJ0.035Jr- 00 mEV e mMro V ATOP0.0300.0250.0200.015050100150200Pore Diameter (nm) N Adsorption and desorption0.00.81.0Relative Pressure (P / P。)图3-8不同炭化温度得到的Fe3Q/C-YK的N2吸附-脱附和孔径分布图(A-800C,B-850C,C-900C,D-950C,E-1000C,F-1050C)Fe

52、3O4/C-YK复合材料样品的N2吸附/脱附等温线及孔径分布曲线见图3-9。由图可见，随着温度的变化，N2吸附/脱附等温线和孔径分布曲线变化幅度较大。因为在不同地温度下，衍射峰的强弱不同，即石墨化程度不同，晶型整齐度不同，从而导致材料的比表面积不同。由图3-9中可以得到样品Fe3O4/C-YK-800、Fe3O4/C-YK-850、Fe3O4/C-YK-900、2Fe3O4/C-YK-950、Fe3O4/C-YK-1000、Fe3O4/C-YK1050的比表面积分别为172m/g、226m2/g、450m2/g、454m2/g、430m2/g、352m2/g。BJH吸附平均孔径分别为6.5nm

53、、7.3nm、7.1nm、6.8nm、7.2nm、7.8nm。各物质孔径数和比表面积数如上列出，综合比较可得，样品Fe3O4/C-YK-1000性质优异，做下一步阳极材料处理rnRa aropeasreva nHwtnrKsdA HJ8.0 ) m7.57.06.56.080085090095010001050Carbonized Temperaute ( )o O45TEB图3-9不同炭化温度得到的Fe3O4/C-YK的比表面积(Sbet)和BJH平均孔径分布分析3.2电极电位极化曲线与伏安曲线在本质上都表示电压和电流的关系。具体做法：通过电脑系统测定稳定状态下，一系列电压和电流的对应数值，

54、并做出电压和电流间的关系图。该曲线可以用来描述和评价微生物燃料电池的性能，而且还可以得出电极电势和电流密度的相互关系。3.2.1 钳电极的电压-电流关系柏与椰壳碳1,秸秆碳2,石墨碳3按一定比例混合的电压电流关系电压-电流0.00980.00780.00580.00380.0018-0.0002-0.0022-0.0042-300-100100300500电流* 椰壳碳与伯秸秆碳与伯 石墨碳与钳图3-10电压-电流关系图由图3-10可以看出，三种铝碳混合物的电压电流关系具有相似性，但椰壳炭混合物的曲线相比较而言较好，所以做阳极材料时，我们选择铝与椰壳炭制作材料。电流密度和功率密度的提高跟所选用

55、的材料有莫大的关系。电池的成败材料是关键。尽可能减小损失，增大电流这个中心不能动摇。3.2.2 铁电极的电压-电流关系铁与椰壳碳1,秸秆碳2,石墨碳3三种碳按比例混合的电压电流关系电压-电流椰壳碳与铁秸秆碳与铁 石墨碳与铁图3-11电压-电流关系图由图3-11可以看出，三种铁碳混合物的电压电流关系具有相似性，但椰壳炭混合物的曲线相比较而言较好，所以做阳极材料时，我们选择铁与椰壳碳制作材料。这种材料可以减小活化损失和传质损失，从而测得较高的电流密度，功率密度，增大微生物燃料电池的电流。从阴阳极材料的角度去提高产电效率。综上所述，珀与椰壳炭，铁与椰壳炭的混合物具有很好的提高电池效率的作用，因此可以用来做阳极材料。结论本课题主要探讨研究不同阳极材料的单极室微生物燃料电池(MF