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石墨烯修饰电极对微生物燃料电池产电性能的影响研究毕业论文
Effect of Graphene Modified Electrode on Electricity
Generation in Microbial Fuel Cells
A Dissertation Submitted for the Degree of Master
Candidate:Chen Jing
Supervisor:Prof. Yang Shengke
Chang’an University, Xi’an, China
摘 要
微生物燃料电池 (MFC )作为一种清洁生产方式,是一种能够通过厌氧微生物的催
化反应将燃料中的化学能转化为电能的反应器,它能在降解废水中有机物的同时产电。
目前研究报道可被MFC 利用的燃料大多为一些简单的有机物,如葡萄糖、乙酸、乙醇
等,这些电池系统能良好地运行并有效地降解有机物。
对乙酰氨基酚(APAP )是一种典型的PPCPs 类污染物,当被摄入人体后,只有少
部分发生代谢,大部分以原形排入水体。本文以MFC 产电性能为主要研究对象,以石
墨烯为修饰电极的主要物质,分别对MFC 阴、阳极进行修饰,探讨了修饰后MFC 的产
电特性及其影响因素。同时,以对乙酰氨基酚为阳极目标污染物,进行降解性能和产电
研究,获得了以下主要结论:
1、基于石墨烯修饰阴极
(1)以铜片为阴极、不锈钢丝网为阳极,采用不同分散剂分散的石墨烯修饰阴极
构建双室MFC 。发现CMC-graphene-MFC 系统的产电性能优于PEG4000-graphene-MFC
系统,且两者的最大功率密度(PA )分别是未修饰MFC 系统的4.33 倍和1.56 倍。
(2 )研究阴极铜片面积和阳极目标污染物浓度变化对电池产电特性的影响,结果
发现:阴极面积为23 cm2 时,电池的PA 值最高;阳极目标污染物浓度为400 mg/L 时,
输出电压最高。
(3 )在采用铜片为阴极的基础上,改用碳布为阴极构成双室MFC 。SEM 结果显示
修饰阴极比未修饰阴极表面累积了更多还原产物。CV 曲线显示修饰后电池的峰电流大
于未修饰的电池的峰电流。这些结果进一步证明了修饰阴极后电池的产电性能优于未修
饰电池的产电性能。
2 、基于石墨烯修饰阳极
分别以铜片、碳布和不锈钢丝网为阳极,碳布为阴极构建双室 MFC ,研究结果发
现:石墨烯修饰电极能提高各电池系统的PA 值。修饰后铜片/MFC 、碳布/MFC 、不锈钢
丝网/MFC 系统的PA 值分别为39.63 µW、9.67 µW、101.20 µW,相对于三类未修饰的
电池的PA 值依次提高了17 倍、1.20 倍和1.51 倍。
3、APAP 的动力学分析
(1)在分别采用石墨烯修饰以铜片和碳布为阴极的MFC 系统中,对APAP 的降解
过程进行线性拟合,发现两种电池系统中APAP 的反应动力学曲线均符合零级反应动力
i
学方程。这说明其中APAP 的降解与浓度无关,而受电极表面反应速率控制。
(2 )在分别采用石墨烯修饰铜片、碳布和不锈钢丝网为阳极的 MFC 系统中,对
APAP 的降解过程进行线性拟合,发现铜片/MFC 系统和碳布/MFC 系统中APAP 的反应
动力学符合零级反应动力学方程,而不锈钢丝网/MFC 系统符合一级反应动力学方程。
这说明铜片/MFC 和碳布/MFC 系统中APAP 的降解与其浓度无关,而受电极表面反应速
率控制,而不锈钢丝网/MFC 系统中APAP 的降解与其浓度有关。
关键词:微生物燃料电池、石墨烯、对乙酰氨基酚、修饰电极、催化剂
ii
Abstract
Microbial fuel cell (MFC) as a clean production, is a kind of reactor which can
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