论文摘要
在环境污染和能源短缺问题越发困扰和阻挠人类发展的背景下，人们致力于开发多种形式的新能源，研究各种污染防治的方法。作为一种新型的能源转换形式和污水处理技术，微生物燃料电池能利用一类特殊胞外电子传递菌作为底物氧化的催化剂，在还原阴极的协助下构成电路回路，实现有机物到电能的直接转化。这样一种能同步实现有机底物去除和电能回收的新型装置，在最近十年间迅速发展，逐渐被越来越多的人所认识和研究。目前该项研究尚处于实验研究阶段，某些基本原理不甚清晰而且反应器构建成本偏高，不能应用于生产实际。本论文针对微生物燃料电池在放大过程中对电极材料和系统构型的需求，考虑电极性能与成本，开发了适用于堆栈式微生物燃料电池的阳极、阴极以及电极辅助材料，对影响电极表面电子传递的因素进行解析，并对构建的紧凑堆栈生物电化学系统的性能进行了研究。本研究以碳纤维制作的碳刷阳极为研究对象，使用不同的预处理方法对碳纤维阳极表面加以改性。预处理能对材料表面元素构成及具体形态产生的影响，也对电池性能的提高具有促进作用，碳刷在450°C加热30分钟能够显著提高阳极的性能。将预处理对电极表面环境的改变进行对比分析，得到影响阳极性能的重要因素，包括阳极表面O/C元素比，N/C元素比等。通过加热过程对碳纤维的分子化学结构的影响进行分析，得到了N在碳纤维内的几种形态N-5、N-6、N-Q和N-X，并推论带正电荷的质子化氮对阳极性能的提高具有促进作用。将双电层电容材料Gore和203作为微生物燃料电池的氧还原空气阴极进行研究。Gore材料的最大输出功率为1081±9mW/m2，完全可以取代实验中所使用的铂碳催化阴极。通过对电容的测量得知，材料电容越大，应用在微生物燃料电池阴极中的性能越好。将不同高电容碳粉代替铂碳用作空气阴极催化剂，使用120mg高电容活性碳粉YP-50F时，输出功率可以与铂碳阴极相当。高电容碳粉阴极的使用还有利于库仑效率的提高。将高电容阴极与铂碳阴极的催化原理及价格成本进行对比，在隔绝氧气的条件下，铂碳阴极无法发生氧还原反应，但高电容材料却能得到238±4mW/m2的最大输出功率。铂碳与高电容材料的阴极作用原理存在区别，阴极材料的高电容特性有利于阴极在缺少氧气供给的条件下继续获得电子，且价格适宜，适用于作为堆栈放大反应器的阴极使用。针对减小紧凑微生物燃料电池的反应器构型中阴极气体体积的问题，在空气阴极结构中引入了阴极垫片。空气阴极在反应器运行过程中的氧气消耗速率与电路中所产生的电流有关。在保证最大输出功率时，电路中的电子转移引起的氧气消耗速率为每平方米阴极0.27mL/s。在两个阴极直接相对的反应器中间使用厚度为1.5mm的阴极垫片可以保证氧气供给，且最大输出功率不受影响。阴极垫片的使用限制了多余氧气向反应器内部的扩散，对库仑效率的提高也有一定的贡献。本研究开发了碳刷阳极预处理方法和低成本高电容阴极，对电极表面性质与电子传递机理的关系进行了解析，分析了垫片结构对于减小堆栈式生物电化学系统总体积的必要性。使用开发的阴阳极材料和阴极垫片构建了紧凑堆栈的生物电化学系统。对系统的启动时间、最大功率等性能进行了测试，检验了该系统对同时含有碳、氮底物的去除及电池产电情况。结果证实，本研究中开发的电极材料具有成本低廉且性能优越的特点，使用其构建的堆栈式生物电化学系统，启动迅速，各反应器的最大功率和库仑效率较为平行，堆栈系统的产电性能和底物去除效果不低于单个微生物燃料电池，且反应器的主体材料成本和总体积得到降低。