1、論文題目：不同陽(yáng)極材料的微生物燃料電池產(chǎn)電性能研究學(xué)院：年級(jí)：專(zhuān)業(yè)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師:摘要微生物燃料電池是一項(xiàng)新工藝，在節(jié)能減排上有廣闊的發(fā)展前景。微生物燃料電池(MFC)是利用陽(yáng)極產(chǎn)電微生物為催化劑降解有機(jī)物直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。在MFC系統(tǒng)中，陰陽(yáng)極的電極材料是影響產(chǎn)電性能的核心要素之一。本課題介紹了MFC中陽(yáng)極材料的相關(guān)研究進(jìn)展，分析了不同陽(yáng)極材料表面的產(chǎn)電微生物、產(chǎn)電過(guò)程、產(chǎn)電機(jī)理和產(chǎn)電能力的區(qū)別，為MFC陽(yáng)極材料優(yōu)化、產(chǎn)電微生物的富集、MFC構(gòu)型改造等組合提供思路，著重討論了不同陽(yáng)極材料對(duì)微生物燃料電池的產(chǎn)電性能的影響，從中篩選出產(chǎn)電效率高的陽(yáng)極材料，推動(dòng)微生物燃料電池相

2、關(guān)研究的發(fā)展。關(guān)鍵詞微生物燃料電池；產(chǎn)電微生物；陽(yáng)極材料；產(chǎn)電性能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目錄摘要.AbstractII前言1.1 .緒論3.1.1 課題的背景 世界形勢(shì) 中國(guó)形勢(shì)3.1.2 微生物燃料電池的產(chǎn)電基本原理 微生物燃料電池的種類(lèi) 直接微生物燃料電池的構(gòu)造.5.1.3 不同的陽(yáng)極材料 碳材料 導(dǎo)電高聚物7.1.3.

6、3 碳納米材料/導(dǎo)電高聚物 金屬和金屬涂層 非金屬和非金屬涂層8.1.4 課題研究的主要內(nèi)容.8.1.5 課題研究的目的和意義 課題研究的目的 課題研究的意義9.2 .實(shí)驗(yàn)材料與方法102.1 MFC的實(shí)驗(yàn)藥品和實(shí)驗(yàn)儀器1.02.1.1 實(shí)驗(yàn)藥品102.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器102.1.3 實(shí)驗(yàn)裝置112.2 性能的測(cè)試和分析方法112.2.1 廣角X射線(xiàn)粉末衍射（XRD122.2.2 LSV的電化學(xué)測(cè)定 庫(kù)侖效率和電流密度的測(cè)定122.2.4 極化曲線(xiàn)和比表面積的測(cè)定132.2.5 循環(huán)伏安曲線(xiàn)和功率曲線(xiàn)的測(cè)定1.43 .不同

7、陽(yáng)極材料對(duì)產(chǎn)電效果的影響153.1 實(shí)驗(yàn)中所用陽(yáng)極材料的性質(zhì)分析153.1.1 FaO4/C-J的性質(zhì)分析 FeO4/C-P的性質(zhì)分析173.1.3 FaO4/C-YK的性質(zhì)分析1.93.2 電極電位 鋁電極的電壓-電流關(guān)系213.2.2 鐵電極的電壓-電流關(guān)系22結(jié)論23.參考文獻(xiàn)24.致謝錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。不同陽(yáng)極材料的微生物燃料電池產(chǎn)電性能研究刖百21世紀(jì)是綠色的世紀(jì)，可持續(xù)發(fā)展的世紀(jì)，然而隨著人類(lèi)智力的提升，科學(xué)技術(shù)不斷的革新，環(huán)境問(wèn)題成為嚴(yán)重制約人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的因素。生態(tài)，環(huán)境，能源等問(wèn)題已經(jīng)被提上日程，但是重視力度仍然不夠，尚需各國(guó)持續(xù)不斷的共同努力。

8、由于工業(yè)的日新月異的發(fā)展，導(dǎo)致了氣候變化，糧食短缺和化石能源的危機(jī)。臭名昭著的世界八大公害事件，用血的事實(shí)向人類(lèi)證明環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)刻不容緩。全球的水污染，大氣污染，噪聲污染，資源浪費(fèi)相當(dāng)嚴(yán)重。如何科學(xué)，合理，節(jié)約地使用不可再生資源，直接關(guān)系到國(guó)家的能源安全。全球的水污染，大氣污染，噪聲污染，資源浪費(fèi)相當(dāng)嚴(yán)重。如何科學(xué)，合理，節(jié)約地使用不可再生資源，直接關(guān)系到國(guó)家的能源安全。在化石燃料的開(kāi)采、運(yùn)輸、使用、排放的過(guò)程中，怎樣做到清潔生產(chǎn)，即從源頭到墳?zāi)沟臒o(wú)害化，資源化，減量化，是當(dāng)前科學(xué)家們致力研究的重要方向。不可再生能源的形成是幾十萬(wàn)年甚至幾十百萬(wàn)年固定在巖石層中的太陽(yáng)能。具形成是一個(gè)漫長(zhǎng)而漸變的

9、過(guò)程。而人類(lèi)開(kāi)采利用的速度快的驚人。這樣濫采亂伐，在一二百年之后，子孫后代將面對(duì)資源和能源枯竭的局勢(shì)。因此，必然促使人類(lèi)研制再生且綠色環(huán)保能源。現(xiàn)階段，控制污染技術(shù)很多，其中包括物理技術(shù)，化學(xué)技術(shù)，生物技術(shù)等，但是集消除環(huán)境污染和發(fā)電產(chǎn)能于一身的微生物燃料電池技術(shù)，是各國(guó)科學(xué)家共同青睞的，而且他們爭(zhēng)先恐后的進(jìn)行相關(guān)科研，試圖探究一種緩解能源危機(jī)的可行途徑。眾所周知，人類(lèi)的生活離不開(kāi)衣食住行，能源的作用于人類(lèi)無(wú)疑是魚(yú)和水的關(guān)系。不僅是人類(lèi)存在的基礎(chǔ)，而且在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高人類(lèi)精神文明方面，也起到了舉足輕重的作用。隨著物質(zhì)文明建設(shè)的吐火如荼的進(jìn)行，人們對(duì)能源的需求在日益增加。縱使如此，能源浪費(fèi)問(wèn)

10、題還是相當(dāng)嚴(yán)重，是個(gè)迫在眉睫的事情。近幾十年來(lái)，對(duì)化石燃料特別是煤炭和石油的過(guò)度使用，不僅導(dǎo)致環(huán)境污染，更是引起了全球的能源危機(jī)。精神文明建設(shè)的長(zhǎng)足發(fā)展使人們的環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，他們逐漸認(rèn)識(shí)到化石燃料的不可再生的嚴(yán)峻性和污染的嚴(yán)重性。可再生清潔能源的研發(fā)和推廣使用已是刻不容緩的甚至是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的大事。潮汐，地?zé)幔锬埽L(fēng)能，水能，太陽(yáng)能、等可再生能源的發(fā)現(xiàn)及研發(fā)將引發(fā)一場(chǎng)轟轟烈烈的能源革命。目前，可再生能源品種不少，但是綠色可再生能源可以在商業(yè)上推廣的并不多。其中作為一種未來(lái)可能替代化石燃料的清潔環(huán)保能源一一生物質(zhì)能，被大家青睞。在各種生物能源中，微生物燃料電池作為一種新興的高效的生物質(zhì)能

11、，具有廣泛的使用價(jià)值和高效的環(huán)保價(jià)值。創(chuàng)新人士將生物質(zhì)能應(yīng)用于燃料電池，這類(lèi)發(fā)展和相關(guān)研究越來(lái)越受到公眾的關(guān)注。大力研發(fā)和高效利用生物質(zhì)能源，不僅可緩解能源危機(jī)，同時(shí)可促進(jìn)生態(tài)環(huán)境向著良性循環(huán)發(fā)展，對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。生物質(zhì)能源是指大自然中動(dòng)物，植物，微生物等有生命的各種有機(jī)生物，它們本身蘊(yùn)藏一定的能量，并可以通過(guò)某種機(jī)制轉(zhuǎn)化成不同形式的能量，伴隨物質(zhì)循環(huán)實(shí)現(xiàn)大自然的能量循環(huán)。在微生物燃料電池(MicrobialFuelCell,MFC)中，微生物在催化劑的作用下將有機(jī)物分解為無(wú)機(jī)物，伴隨著物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。生活污水和工業(yè)污水中含很多有機(jī)物，這些微生物都被可以利用。微生物

12、燃料電池消耗污水中的有機(jī)物，通過(guò)生物代謝作用，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，是一種綠色能源，它的特征如下：(1)原料廣泛：可利用多種底物。(2)條件溫和：安全可靠。(3)環(huán)保無(wú)污染：唯一產(chǎn)物水。(4)不需外輸能量：實(shí)現(xiàn)生物能到電能的轉(zhuǎn)換。(5)能量可實(shí)現(xiàn)循環(huán)。(6)可用于污泥和污水的處理中，變廢為寶，節(jié)能減排。王黎，姜彬慧.環(huán)境生物燃料電池理論技術(shù)與應(yīng)用M. 2010, 252-280.1 .緒論目前，石油和煤炭等傳統(tǒng)化石燃料資源面臨著儲(chǔ)量嚴(yán)重短缺，開(kāi)采環(huán)節(jié)復(fù)雜，利用方式效率不高，不可再生和燃燒后產(chǎn)生大量污染氣體等嚴(yán)重問(wèn)題。面對(duì)現(xiàn)代出現(xiàn)的各種棘手難題，環(huán)境保護(hù)的呼聲也越來(lái)越高漲，要求政府和社會(huì)各界共同努力，

13、以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展。當(dāng)今世界各國(guó)的能源戰(zhàn)略和能源科技發(fā)展都加入了綠色的能源科技要素，人們正在試圖改變20世紀(jì)建立的以石油和煤炭為基礎(chǔ)的龐大能源體系，在能源循環(huán)利用的路上奮斗不息。1.1 課題的背景社會(huì)是個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的社會(huì)，時(shí)時(shí)刻刻都發(fā)生著變化。科學(xué)技術(shù)隨社會(huì)的需要而發(fā)展。污染和浪費(fèi)事件頻繁發(fā)生，要求綠色和環(huán)保的呼聲越來(lái)越高。能源危機(jī)的加劇使得微生物電池的研究成為當(dāng)今世界當(dāng)之無(wú)愧的熱點(diǎn)問(wèn)題。該電池除污產(chǎn)能既環(huán)保又有效益。1.1.1 世界形勢(shì)很久以前就出現(xiàn)了微生物燃料電池。英國(guó)植物學(xué)家Potter1是開(kāi)展微生物燃料電池相關(guān)研究的開(kāi)山鼻祖，他通過(guò)酵母和大腸桿菌試驗(yàn)，得出利用微生物可以產(chǎn)生電流的結(jié)論。不

14、久后，很多人都嘗試相關(guān)方面的實(shí)驗(yàn)，并大膽的把微生物做催化劑，在有機(jī)物質(zhì)分解的同時(shí)獲得能量。最早的細(xì)菌電池是由美國(guó)的科學(xué)家研制的。它利用尿液并把微生物作為陰陽(yáng)極的活性材料，供太空飛船使用，不過(guò)電池的效率不是很理想。隨著細(xì)菌發(fā)電的進(jìn)展，人們利用細(xì)菌在電池組里分解生物有機(jī)物質(zhì)，并利用在電極間微生物催化的氧化還原反應(yīng)。好養(yǎng)和厭氧微生物在自身代謝過(guò)程中，將污水中的有機(jī)物降解掉，同時(shí)產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移，在完整的回路中形成電流。微生物燃料電池由于其除污產(chǎn)能的優(yōu)勢(shì)，在將來(lái)的發(fā)展前途是不可限量的。1.1.2 中國(guó)形勢(shì)中國(guó)各大高校也紛紛加入微生物電池的潮流，其中以哈爾濱工業(yè)大學(xué)的相關(guān)研究較多且較前沿。微生物燃料電池既能

15、暫時(shí)緩解能源危機(jī)，又能在污水污泥的處理中發(fā)揮重要作用，因此它是一項(xiàng)綠色環(huán)保的新工藝，發(fā)展前景十分可觀(guān)。例如中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所應(yīng)用與環(huán)境微生物中心李大平研究員課題組在微生物燃料電池的產(chǎn)電機(jī)制研究方面取得突破性進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)在中性偏堿網(wǎng)的環(huán)境條件小，假單胞菌能夠降解有機(jī)物，同時(shí)產(chǎn)生電能。1.2 微生物燃料電池的產(chǎn)電基本原理眾所周知，微生物能夠降解有機(jī)物，伴隨物質(zhì)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，能量也發(fā)生變化。植物儲(chǔ)存在體內(nèi)的能量是太陽(yáng)輻射的太陽(yáng)能，我們把該過(guò)程稱(chēng)做光合作用。微生物將氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過(guò)外電路傳遞到陰極上，該過(guò)程伴隨電流的產(chǎn)生，這樣的裝置稱(chēng)為微生物燃料電池4。電池顧名思義就是產(chǎn)生電能的裝置，

16、微生物燃料電池自然是通過(guò)微生物是實(shí)現(xiàn)的。電池由正極和負(fù)極構(gòu)成。用半透膜把反應(yīng)器隔開(kāi)，形成兩個(gè)小容器，這樣的稱(chēng)為兩室電池，沒(méi)有存在隔膜的稱(chēng)為單室電池。根據(jù)陰極和陽(yáng)極有無(wú)微生物參與反應(yīng)電池可以分為生物陰極、生物陽(yáng)極和生物雙極。微生物新陳代謝，將有機(jī)物分解合成，此過(guò)程有電子的轉(zhuǎn)移，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)作用，構(gòu)成回路，就能得到電流。這在本質(zhì)上是化學(xué)上的氧化還原反應(yīng)。1.2.1 微生物燃料電池的種類(lèi)一、直接微生物燃料電池5直接微生物燃料電池顧名思義是指電子直接傳遞，不需要介體。微生物細(xì)胞膜的成分是有機(jī)高分子不導(dǎo)電物質(zhì)，正是由于這些材質(zhì)所致，電子過(guò)不去。先進(jìn)的微生物燃料電池一般需要導(dǎo)管體，導(dǎo)管體的導(dǎo)電性能對(duì)庫(kù)倫效率影

17、響很大，不過(guò)有個(gè)缺點(diǎn)是價(jià)格不菲。直接為生物燃料電池能夠推廣是因?yàn)楦鞣N膜材料大多都有毒且不穩(wěn)定。隨著科學(xué)的發(fā)展，近幾年，幾種具有特殊性質(zhì)的細(xì)菌被人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。沒(méi)有中間隔膜時(shí)，細(xì)菌氧化還原中的電子可以直接傳到電極上，在回路中產(chǎn)生電流。電池的發(fā)展是個(gè)怎么樣的前景，誰(shuí)也說(shuō)不清楚，有合適的材料，價(jià)格也合理，就會(huì)發(fā)展。沒(méi)有材料也不可能發(fā)展，這是眾所共知的。商業(yè)上的推廣盈利，電池應(yīng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，無(wú)污染，可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)。、間接微生物燃料電池間接微生物燃料電池自然跟直接電池有區(qū)別，中間有了個(gè)導(dǎo)體膜做輔助。電子從陰極導(dǎo)到陽(yáng)極，電子獲得于生物新陳代謝過(guò)程中。有機(jī)物是許多科學(xué)家常用的燃料。不同種屬的微生物在

18、不同的情況下都能被用作催化劑。但是許多實(shí)際可行性太差，沒(méi)有推廣的價(jià)值。間接生物燃料電池的工作原理是污染物在胞外酶的催化下，實(shí)現(xiàn)氧化還原過(guò)程，伴隨該過(guò)程釋放的電子，在導(dǎo)體膜的作用下運(yùn)動(dòng)到正負(fù)極。1.2.2 直接微生物燃料電池的構(gòu)造該電池的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與否和設(shè)計(jì)是否合理，決定了它的推廣程度。雙室型微生物燃料電池應(yīng)用廣泛，有陰陽(yáng)兩個(gè)級(jí)室。正極和負(fù)極并沒(méi)有相連，他們之間存在一定的距離，需要有導(dǎo)體協(xié)助電子走過(guò)去一一即傳過(guò)去。一、陽(yáng)極和陽(yáng)極室激活過(guò)程和傳遞過(guò)程是兩個(gè)重要的過(guò)程。微生物屬于哪個(gè)種屬，有什么特征，以及微生物的量的多少?lài)?yán)重影響激活過(guò)程，激活過(guò)程就是通常所說(shuō)的活化的程序。陽(yáng)極就是電池的正極，正極電勢(shì)高

19、；陰極就是電池的負(fù)極，負(fù)極電勢(shì)低。正極和負(fù)極再加上電線(xiàn)構(gòu)成回路，就有電流產(chǎn)生，這就成了電池，可以對(duì)外供電了。電流從正極流到負(fù)極，電子從陰極傳遞到正極。純碳及在碳電極表面修飾金屬氧化物是目前微生物燃料電池的陽(yáng)極材料。將陽(yáng)極分為填料型和平板式兩種是根據(jù)陽(yáng)極的具體形式定義的。在容器中填點(diǎn)材料，就構(gòu)成了新式的陽(yáng)極。表面積大了，許多微生物有了附著床即生物床，它們大量繁殖，生物量多了，電子也多了，電子密度就大了，電壓也大了，電池就優(yōu)化了。用平行板也可以做成陽(yáng)極，陽(yáng)極有個(gè)不好的是體積太大了，占地太大，不方便。液體來(lái)來(lái)回回的流動(dòng)，還需要攪拌，否則影響傳遞過(guò)程。功率密度和電流密度都可能受到嚴(yán)重影響。來(lái)回流動(dòng)即對(duì)

20、流。速度梯度、分子擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散等多種因素的影響流態(tài)。二、陰極和陰極室電池的陰極能夠把電子傳遞給接受電子的物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，其中有催化劑存在并發(fā)生關(guān)鍵作用。以產(chǎn)電密度為準(zhǔn)繩，我們做出結(jié)論氧氣是做陰極合適的材料。這樣的電池功率密度高，電流大，效率高。三、分隔材料常用的分割材料很多，例如玻璃纖維、鹽橋、質(zhì)子膜、玻璃珠和碳紙等。然而有一部分材料效率太低，很多人不愿意使用，一點(diǎn)一點(diǎn)的退出研究領(lǐng)域。什么樣的材料能占得一席之地，那就是效率高，損失小。半透膜要保證陽(yáng)極的真空狀態(tài)，這樣內(nèi)阻就會(huì)很小。另外，就隔膜材料而言，兩室型微生物燃料電池的構(gòu)型十分的繁瑣，而一室型微生物燃料電池省略了陰極室，氧氣作為電子直

21、接受體時(shí)傳質(zhì)阻力小于兩室型微生物燃料電池。優(yōu)化陽(yáng)極，陰極和隔膜材料性能，可以提高微生物燃料電池的產(chǎn)電能力。四、評(píng)價(jià)系統(tǒng)微生物燃料電池是一種通俗意義上裝置，它的用途是產(chǎn)生電能。電池的外形結(jié)構(gòu)，電池的運(yùn)行方式及外接電器的電壓高低是主要影響對(duì)外供電能力的因素。任何電器都不能超過(guò)最大工作電壓，負(fù)載應(yīng)該有個(gè)維護(hù)的合適額定電壓。當(dāng)負(fù)載電阻值過(guò)小時(shí)，電流與電壓成反比；當(dāng)負(fù)載電阻值過(guò)大時(shí)，電流與電壓成反比，一大一小。要保證最優(yōu)化的電池運(yùn)行效率，自然是各項(xiàng)指標(biāo)的同時(shí)滿(mǎn)足最優(yōu)化的條件下，這樣才能實(shí)現(xiàn)。極化曲線(xiàn)是以電流為X軸，以電壓為Y軸，作圖表示二者之間的關(guān)系。人們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了許多評(píng)價(jià)微生物燃料電池性能

22、的參數(shù)，如電極電勢(shì)、功率、功率密度、功率曲線(xiàn)、庫(kù)侖效率、增值產(chǎn)率、COD和BOD濃度變化等。1.3 不同的陽(yáng)極材料MFC以外形結(jié)構(gòu)為依據(jù)，人們習(xí)慣分為一個(gè)室微生物電池和兩個(gè)室微生物電池。Kim7等比較了單室MFC和雙室MFC的產(chǎn)電效果。對(duì)于以厭氧污泥為活性微生物，乙醇為底物的MFC,單室的功率密度比雙室高（單室488±12mW/m2,雙室40i2mW/m2）。這是因?yàn)閱问襇FC無(wú)分隔材料和陰極液，內(nèi)阻較雙室小。但是單室MFC的庫(kù)侖效率（CE）比雙室低（單室10%,雙室42%-61%）。氧氣可以在陰陽(yáng)極之間運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移。氧充足時(shí)，好氧微生物發(fā)揮作用。產(chǎn)電微生物附著的載體作為陽(yáng)極

23、，能大幅度影響MFC的產(chǎn)電性能。對(duì)陽(yáng)極材料的研究可以提高電池的產(chǎn)電效率，功率密度，庫(kù)倫效率。通過(guò)各種修飾作用，采用不同的炭布和各種纖維，并根據(jù)微生物的生活特性，只要能提高電量，材料易得，容易推廣，這就完成了主要的任務(wù)。高附著量，最小的損失。當(dāng)前有多種材料可以作為陽(yáng)極，關(guān)鍵是效果優(yōu)劣的問(wèn)題。MFC陽(yáng)極材料來(lái)源廣泛，許多碳材料都可以滿(mǎn)足條件。提高微生物燃料電池的產(chǎn)電效果可通過(guò)改善陽(yáng)極材料的孔面積，也可以進(jìn)行氨氣處理。將納米復(fù)合材料應(yīng)用于電池的陽(yáng)極，是一個(gè)新的研究領(lǐng)域。1.3.1 碳材料微生物燃料電池的陽(yáng)極同時(shí)存在微生物和化學(xué)物質(zhì)，多種物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)其復(fù)雜性不言而喻，自然是化學(xué)燃料電池?zé)o法企及的。因此

24、，陽(yáng)極材料還必須要有良好的生物適應(yīng)性、優(yōu)異的導(dǎo)電性能、抗腐蝕性能、高比表面積和高孔隙率。網(wǎng)狀玻璃碳表面積大，可提高微生物的附著量，用作陽(yáng)極。網(wǎng)狀玻璃碳是通過(guò)碳化含合成樹(shù)脂和發(fā)泡劑的聚合體得到的重要材料。因其卓越的物理結(jié)構(gòu)和突出的搞機(jī)械抗力、多孔性、生物適應(yīng)性和相對(duì)高的導(dǎo)電性而廣為人知。如果價(jià)格再合適就可以推廣。在富勒烯結(jié)構(gòu)族中，圓柱形納米和碳納米管結(jié)構(gòu)的碳是碳元素構(gòu)成的不同單質(zhì)。在微生物燃料電池研究中，引入了碳納米管來(lái)評(píng)估其對(duì)廢水中菌群的生物兼容性和陽(yáng)極表面細(xì)菌生長(zhǎng)期的影響。表面性質(zhì)跟比表面積有很大關(guān)系。比表面積大的提高主要是為了提高吸附在電極表面的細(xì)菌密度。納米材料的研究和生產(chǎn)顯得十分的具有

25、前景。許多科學(xué)家做了相關(guān)的研究。得出的結(jié)論很多，也取得了十分可觀(guān)的進(jìn)展。而且已經(jīng)應(yīng)用到電池中，工作效率有所提高。碳布在氮?dú)獾奶幚磉^(guò)程中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的孔徑變小，孔數(shù)增多，表面性質(zhì)發(fā)生改變，促使細(xì)菌在電極的吸附，電子在兩極間的傳遞。1.3.2 導(dǎo)電高聚物導(dǎo)電高聚物是一種新式的材料，有很多優(yōu)點(diǎn)。它的發(fā)展前景十分可觀(guān)。我們把具有良好導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生相容性的聚叱咯視為最新的所有導(dǎo)電聚合物研究中一個(gè)最具吸引力的材料。理論和實(shí)踐已經(jīng)證明，提高M(jìn)FC陽(yáng)極的比表面積可以提高電池的工作效率。不久前Niessen8等采用氟化聚苯胺作為陽(yáng)極材料，氟化聚苯胺的使用，大大提高了電池的功率密度和電池效率。他們的研究解決了

26、催化劑中毒的問(wèn)題，改善了催化效果。這種很好的材料受到人們的青睞。具優(yōu)點(diǎn)很多，不僅性能上效果好，價(jià)格上也很理想。1.3.3 碳納米材料/導(dǎo)電高聚物導(dǎo)電高聚物和納米材料有很好的孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積，脆度高，抗人性能好。具備了制作電極的諸多優(yōu)勢(shì)。在電極材料方面的發(fā)展是很有前途的。復(fù)合材料的性能好，所以在研究中受到青睞。可以通過(guò)修飾加以改善某些性質(zhì)。它們的導(dǎo)電性能都很好。不容樂(lè)觀(guān)的是，有關(guān)報(bào)道稱(chēng)，碳納米管具有化學(xué)毒性，可能導(dǎo)致抑制細(xì)胞增殖和細(xì)胞死亡。通過(guò)修飾可以降低對(duì)細(xì)胞的毒性，為材料的推廣拓寬道路。許多人已經(jīng)嘗試了用碳布附著催化劑來(lái)改善性能，取得十分可觀(guān)的結(jié)果。這種復(fù)合材料的研制大大提高M(jìn)FC產(chǎn)電效率

27、9。采用納米復(fù)合材料可以作為一種高效能，低成本的陽(yáng)極材料，它的應(yīng)用前景令人欣喜。1.3.4 金屬和金屬涂層碳材料的各種金屬和金屬涂層10在MFC中的應(yīng)用研究尚不完善。在碳布的表面上附著鐵的各種氧化物，改善了細(xì)菌的繁殖速率和代謝速率，不過(guò)沒(méi)有提高最大功率。此種電極用于雙室MFC中時(shí)，由于內(nèi)阻較高，產(chǎn)電效果并不理想，不具有可操作性和可推廣性。1.3.5 非金屬和非金屬涂層科學(xué)家們想了許多方法，試圖通過(guò)使用非金屬材料提高陽(yáng)極效果。目前最成功的提高產(chǎn)電性能的方法是氨氣修飾碳布電極法110通過(guò)修飾作用，碳布的表面性質(zhì)大大改善，從而提高了導(dǎo)電性能。1.4 課題研究的主要內(nèi)容本研究以單極室MFC反應(yīng)器構(gòu)型為

28、基礎(chǔ)，研究不同陽(yáng)極材料對(duì)其產(chǎn)電性能的影響。主要研究?jī)?nèi)容包括：陽(yáng)極材料的比較主要是考察幾種新型陽(yáng)極材料應(yīng)用于MFC的產(chǎn)電效率。通過(guò)電池電位、陽(yáng)極電位、庫(kù)侖效率、電流密度和功率密度等運(yùn)行參數(shù)，比較不同陽(yáng)極材料的MFC產(chǎn)電效果。以碳布陽(yáng)極的MFC運(yùn)行效果為對(duì)照，選擇效果最佳的陽(yáng)極材料做進(jìn)一步研究。1.5 課題研究的目的和意義現(xiàn)在的MFC不太實(shí)用，效率太低，根本無(wú)法跟其他電池相媲美，因此商業(yè)上的優(yōu)勢(shì)更是無(wú)存談起。如何提高產(chǎn)電能力關(guān)乎MFC的興衰成敗。因此現(xiàn)階段和今后的一段時(shí)間努力改善陽(yáng)極的比表面積，提高M(jìn)FC的產(chǎn)點(diǎn)效率是主要的任務(wù)。本課題的陰極是空氣型的，主要探討不同陽(yáng)極材料對(duì)MFC產(chǎn)電效率的影響。1

29、.5.1 課題研究的目的本課題的研究目的是通過(guò)在陽(yáng)極負(fù)載不同的炭材料，增大MFC陽(yáng)極的比表面積，進(jìn)而提高生物膜的面積，增加生物量，達(dá)到較其他形式的MFC獲得更大的電流密度的效果，從而提高反應(yīng)器效率，搜索出新一點(diǎn)的制作流程和技術(shù)。考察幾種不同的陽(yáng)極材料，分別測(cè)定他們的性能，比較篩選。選出適宜做陽(yáng)極的材料。1.5.2 課題研究的意義用石墨顆粒填充時(shí)，顆粒間的接觸也成了制約反應(yīng)器效果的因素之一。相對(duì)于石墨棒、石墨顆粒等石墨材料，雖然石墨氈的比表面積較大，同時(shí)也獲得了較大的電流密度，但是其價(jià)格也要相對(duì)貴一些。為了獲得更高的產(chǎn)電效率、更好的將MFC應(yīng)用于實(shí)際工程中，選擇出具有低內(nèi)阻、高機(jī)械強(qiáng)度、高比表面

30、積以及廉價(jià)的陽(yáng)陽(yáng)極材料具有十分重要的意義。當(dāng)前，能源危機(jī)不斷加劇，化石能源的耗竭，給研究領(lǐng)域提供了很多方向。爭(zhēng)取研究綠色能源，緩解能源危機(jī)。272.實(shí)驗(yàn)材料與方法2.1MFC的實(shí)驗(yàn)藥品和實(shí)驗(yàn)儀器2.1.1實(shí)驗(yàn)藥品實(shí)驗(yàn)用藥品如表2-1所小。表2-1實(shí)驗(yàn)藥品名稱(chēng)分析純碳布無(wú)丙酮溶液分析純鉗碳石墨FQ/C-JFe3O4/C-PFe3O4/C-YK重銘酸鉀化學(xué)純化學(xué)純實(shí)驗(yàn)室自行制備的樣品實(shí)驗(yàn)室自行制備的樣品實(shí)驗(yàn)室自行制備的樣品分析純濃硫酸分析純硫酸汞分析純2.1.2實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)用儀器如表2-2所示。表2-2實(shí)驗(yàn)儀器名稱(chēng)型號(hào)多功能消解器萬(wàn)能表玻璃制作單極室測(cè)定電壓-電流曲線(xiàn)電腦系統(tǒng)SB3150BDT92

31、0無(wú)蘋(píng)果測(cè)定庫(kù)倫效率電腦系統(tǒng)聯(lián)想馬弗爐KSN冰箱海爾超聲波清洗器YQ-250B2.1.3實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的是無(wú)膜無(wú)介體單室直接微生物燃料電池反應(yīng)器，該電池主體由有機(jī)玻璃制成，為圓柱狀，長(zhǎng)4cm,直徑3cm,有效容積28mL,如圖2-1所示，主要由陰極和單室、陰極、陽(yáng)極、葡萄糖培養(yǎng)液構(gòu)成，污水從反應(yīng)器頂部注入、排出。圖中所示的反應(yīng)器的左側(cè)為陽(yáng)極端，右側(cè)為陰極端，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接使之與外電路連通，電子得以傳遞到陰極從而與質(zhì)子結(jié)合生成水。圖2-1裝置圖2.2性能的測(cè)試和分析方法MFC技術(shù)首先涉及電化學(xué)領(lǐng)域，但是由于陽(yáng)極使用的是活體微生物，它又不同于傳統(tǒng)的化學(xué)燃料電池，在電化學(xué)測(cè)試方法上也有一定的特殊性

32、。下面從陽(yáng)極材料的表征、極化曲線(xiàn)和功率密度曲線(xiàn)的獲得、循環(huán)伏安和交流阻抗的測(cè)試等方面詳細(xì)介紹本論文中涉及的電化學(xué)方法、化學(xué)表征方法。2.2.1 廣角X射線(xiàn)粉末衍射（XRDXRD是研究物質(zhì)晶相組成與結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力的表征手段。XRD12利用衍射峰的位置可以決定晶胞的形狀和大小，粒子的表面積，以及品格常數(shù)等。本論文中所用的廣角X射線(xiàn)粉末衍射（XRD）儀器型號(hào)為日本理學(xué)公司生產(chǎn)的RigakuD/max-IIIB型X-射線(xiàn)衍射儀。測(cè)試條件如下：CuKx（入=1.5406?,管電壓為40kV,管電流為20mA,掃描速度為8o/min。2.2.2 LSV的電化學(xué)測(cè)定LSV是一種測(cè)定極化曲線(xiàn)的方法。測(cè)定指標(biāo)設(shè)定

33、如下：掃描范圍：+0.4v-0.3v掃描速率：1mv/s,3次/樣；參比電極：綠色電極；工作電極：黑色電極；對(duì)電極：紅色電極。2.2.3 庫(kù)侖效率和電流密度的測(cè)定一、庫(kù)侖效率的計(jì)算方法庫(kù)侖效率13,即回收的電子與有機(jī)物質(zhì)能提供的電子總數(shù)的比值。庫(kù)侖效率代表一定時(shí)間內(nèi)，底物能提供的總電子數(shù)中用于電能輸出的百分?jǐn)?shù)。庫(kù)侖效率一般用CE表(2-1)CE=Cr/CsX100%式中：Cr外凈電量Cs底物電子轉(zhuǎn)移數(shù)TC=E/RdtQ(2-2)式中：T單個(gè)周期時(shí)間E外接電壓R負(fù)載電阻Cs=FbesV"c/Msi4(2-3)式中：F法拉第常數(shù)(96485C/mol)b完全氧化乙酸鹽產(chǎn)生的電子數(shù)(8mo

34、le7mol)VAn反應(yīng)器液體體積c每一周期底物濃度的變化值Ms底物的摩爾質(zhì)量二、產(chǎn)電表征量的計(jì)算公式電流密度i=E/RA(2-4)功率密度P=iE(2-5)式中：A為電極面積，這里采用陰極有效面積(7cm2)2.2.4 極化曲線(xiàn)和比表面積的測(cè)定一、極化曲線(xiàn)15是分析和描述電池特性的重要手段。極化曲線(xiàn)用來(lái)表示電流與電壓的關(guān)系，改變電路的外阻值，得到相應(yīng)的電壓以及該阻值下的電流。測(cè)量時(shí)，外負(fù)載從開(kāi)路狀態(tài)開(kāi)始有規(guī)律的減小(或者從短路開(kāi)始增加)，可以得到一組有規(guī)律的電壓數(shù)據(jù)。之后，基于歐姆定律I=E/Rext可以得到當(dāng)前電流的有關(guān)特性，電流密度何等于電流除以電極面積。為了測(cè)定反應(yīng)器體系的各個(gè)部分的產(chǎn)

35、電性能，以參比電極做陽(yáng)極，陰極或者整個(gè)體系的對(duì)照。當(dāng)利用外部可變電阻測(cè)定極化曲線(xiàn)時(shí)，電流與電位值必須處于穩(wěn)定的狀態(tài)下測(cè)定。一般這種穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)在10分鐘左右出現(xiàn)，不同的電腦測(cè)定系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)間一般不同。假如長(zhǎng)時(shí)間處于同一外電阻工作運(yùn)行狀態(tài)下，就會(huì)破壞穩(wěn)態(tài)，這樣測(cè)得的數(shù)據(jù)沒(méi)有什么價(jià)值。二、本實(shí)驗(yàn)采用氣體吸附17(BET)法測(cè)定不同陽(yáng)極材料的比表面積。很多人都用過(guò)氣體吸附法。有關(guān)吸附法的精確定義可參考文獻(xiàn)或者百度。這里僅作簡(jiǎn)要概括：特定的壓力下，以某種固體表面的吸附平衡量為表征量。通過(guò)各種需要的模型，利用平衡量求出固體材料的比表面積。氮?dú)庥泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，來(lái)源簡(jiǎn)單和廣泛，平衡吸附性能好，基本上所有的實(shí)驗(yàn)人員

36、都很青睞它。本論文所使用的N2吸附-脫附等溫線(xiàn)的測(cè)定(BET)儀器型號(hào)為Micromeriticstrument公司生產(chǎn)的TriStarR全自動(dòng)分析儀測(cè)定樣品的比表面積和孔徑分布。測(cè)試是在液氮溫度(77K)進(jìn)行的，測(cè)試前樣品經(jīng)過(guò)433K熱處理8h以上。2.2.5 循環(huán)伏安曲線(xiàn)和功率曲線(xiàn)的測(cè)定循環(huán)伏安法18(cyclicvoltammetry)利用反復(fù)掃描，將電壓和電流的關(guān)系通過(guò)圖的形式表現(xiàn)出來(lái)，直觀(guān)的反映了電池的性能，從而形成循環(huán)式的掃描狀態(tài)。測(cè)試時(shí)采用三電極體系19,為了研究陽(yáng)極的工作狀態(tài)，故陽(yáng)極為工作電極，對(duì)電極為Ag/AgCl,陰極為參比電極。設(shè)定一定的掃描速率。從陽(yáng)極原電勢(shì)出發(fā)的過(guò)程中

37、出現(xiàn)峰的位置為陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)的電位，反向掃描過(guò)程中出現(xiàn)峰的位置為發(fā)生還原反應(yīng)的電位。從極化曲線(xiàn)中我們可以繪制出功率密度曲線(xiàn)，功率曲線(xiàn)是不同電流密度下對(duì)應(yīng)的功率密度曲線(xiàn)。系統(tǒng)開(kāi)路狀態(tài)下沒(méi)有電流，功率輸出為零，從此點(diǎn)出發(fā)功率密度隨電流密度的增加而增加，一直達(dá)到峰值。3.不同陽(yáng)極材料對(duì)產(chǎn)電效果的影響本章主要是探討不同材料制作的陽(yáng)極材料，并表征它們的各種物理性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)。然后構(gòu)建成合適的微生物單極室燃料電池，待電池穩(wěn)定運(yùn)行后，測(cè)定各種表征電流大小，穩(wěn)定程度的物理量。3.1 實(shí)驗(yàn)中所用陽(yáng)極材料的性質(zhì)分析3.1.1 FqOJC-J的性質(zhì)分析2Theta(deg)圖3-1不同炭化溫度Fe3O/C-J的物

38、相組成（XRD分析表征晶體材料組成的有效且常用的手段是XRD。我們將復(fù)合物Fe3O4/C-J在不同溫度下碳化的產(chǎn)物進(jìn)行了XRD表征，目的是為了研究產(chǎn)物的晶相轉(zhuǎn)變特性。圖3-1為復(fù)合物Fe3O4/C-J在不同碳化溫度下碳化產(chǎn)物的XRD譜圖。我們直觀(guān)的從上圖得到信息：Fe3O4的衍射峰隨著碳化溫度從900c升高到1050c而逐漸增強(qiáng)。當(dāng)碳化溫度升高至1000c時(shí)，鐵物種以o-Fe、FesO4相存在，說(shuō)明Fe3O4/C-J中Fe部分轉(zhuǎn)化為o-Fe。a-Fe衍射峰強(qiáng)度最強(qiáng)發(fā)生在碳化溫度增加到1050c時(shí)。另外，從XRD圖中可以看出，鐵的催化作用使分解的碳石墨化可以看出當(dāng)碳化溫度為900C時(shí)就開(kāi)始有石墨

39、生成了。其中，隨著碳化溫度的升高，在28=26.2處歸屬于石墨（002）晶面的衍射峰有增強(qiáng)的趨勢(shì)，說(shuō)明石墨化程度逐漸增加。因此，在碳化溫度升高的過(guò)程中，鐵相經(jīng)歷了Fe3O4向a-Fe轉(zhuǎn)化，最終以混合相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)圖3-2不

41、同炭化溫度得到的Fe3O/C-J的N2吸附-脫附和孔徑分布圖(A-800C,B-950C,C-1000C,D-1050C)Fe3O4/C-J復(fù)合材料樣品的N2吸附/脫附等溫線(xiàn)及BJH孔徑分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖3-3。從圖3-3可以清晰地看出，所有樣品都具有與IV類(lèi)吸咐等溫線(xiàn)相似的曲線(xiàn)形狀，且均呈現(xiàn)較為明顯的Hl型遲滯環(huán)，說(shuō)明Fe3O4/C-J復(fù)合材料具有類(lèi)似介孔材料的吸附特征。在相對(duì)壓力為0.4VP/P。0.7之間等溫線(xiàn)有明顯的變化，這是因?yàn)镹2分子在秸稈炭的孔隙中發(fā)生毛細(xì)作用和凝聚現(xiàn)象所產(chǎn)生的，等溫線(xiàn)中的N2吸附/脫附的曲線(xiàn)走勢(shì)較為陡峭，說(shuō)明此秸稈炭復(fù)合材料具有不是十分規(guī)則的介孔結(jié)構(gòu)，孔徑可能大部分位

42、于2-50nm之間。溫度變化對(duì)N2吸附/脫附等溫線(xiàn)及孔徑分布曲線(xiàn)影響較大，這是由于在不同溫度下，碳材料機(jī)體被負(fù)載納米晶體侵入后，導(dǎo)致了無(wú)定形碳原子的排列而使Fe3O4/C-J產(chǎn)生了不同程度的結(jié)構(gòu)收縮。o 48TEBsm«Ra OTOPeaflreva nntnrosaA umJB42o54o5o o 5 24 4o o 9 63 3o o o diTemperature（C）圖3-3不同炭化溫度得到的Fe3O4/C-J的比表面積（Sbet）和BJH平均孔徑分布分析分析：由圖中可以得到樣品Fe3O4/C-J-900、Fe3O4/C-J-950、Fe3O4/C-J-1000、Fe3O4/

43、C-J-1050的比表面積分別為390m2/g、400m2/g、480m2/g、370m2/g,BJH吸附平均孔徑分別為12.5nm、12.1nm、11.4nm和10.8nm,易知Fe3O4/C炭最佳的Sbet為900c的樣品，實(shí)驗(yàn)中將選用Fe3O4/C-J-9000的樣品為MFC的陽(yáng)極材料。這種大比表面積的材料，在很多領(lǐng)域（如污染物吸附、特殊物質(zhì)的提純與磁性分離、電極材料等）都將有重要的應(yīng)用。3.1.2 Fe3O4/C-P的性質(zhì)分析950 c n1000 C1050 C2030405060900 c702Theta(deg)圖3-4不同炭化溫度Fe3O/C-P的物相組成（XRD分析我們利用X

44、射線(xiàn)衍射來(lái)研究碳納米材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和石墨化程度。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的到某種物質(zhì)的圖譜，圖譜中的衍射峰和石墨化程度成正相關(guān)。石墨化描述的是晶型的轉(zhuǎn)變程序和階段。但是該過(guò)程中阻力很大，而且亞穩(wěn)態(tài)的形成將阻礙石墨化的進(jìn)行。圖3-4是Fe3O4/C-P在不同溫度下的石墨化程度的圖。通過(guò)改變溫度來(lái)測(cè)定它的石墨化程度。由圖可以看出Fe3O4的特征峰的變化不明顯，在950c時(shí)，特征峰最強(qiáng)，可知在該溫度下，石墨化程度最大。石墨化溫度是催化石墨化的一個(gè)重要因素，石墨化程度越高,晶型排列越整齊，比表面積也越大。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)圖3-5不同炭化溫度得到的Fe3Q/C-P的N2吸附-脫附和孔徑分布圖(A-800C,B-950C,C-1000C,D-1050C)純凈的Fe3O4磁性納米粒子表面性質(zhì)優(yōu)異，由于這些

47、性質(zhì)，他們聚集在一塊，半徑增大，孔隙增多，比表面積增大不少。不同溫度下，吸附、脫附等溫線(xiàn)變化很大，是由表面積的改變所致。溫度的變化改變了晶體的存在狀態(tài)，表面性質(zhì)發(fā)生變化。由圖3-6中可以得到樣品F63O4/C-P-900、Fe3O4/C-P-950、Fe3O4/C-P-1000、Fe3O4/C-P-1050的比表面積分別為480m2/g、545m2/g、390m2/g、280m2/g,BJH吸附平均孔徑分別為10.4nm、10.5nm、9.8nm、8.6nm。006TEB2Pso219480405o o2 64 3o o o0 4 83 2 1009950o00050CarbonizedTem

48、peraute(C)圖3-6不同炭化溫度得到的F&O/C-P的比表面積(Sbet)和BJH平均孔徑分布分析3.1.3 Fe3O4/C-YK的性質(zhì)分析2Theta(deg)圖3-7不同炭化溫度Fe3O/C-YK的物相組成(XRD分析金屬粒子的沉積狀態(tài)是由載體的表面性質(zhì)決定的，研究載體的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料有重要作用。圖3-7是Fe3O4/C-YK在不同的溫度下晶型變化的XRD圖譜。我們觀(guān)察到在800c時(shí)衍射峰最強(qiáng)，說(shuō)明在復(fù)合材料中磁性粒子的結(jié)晶化程度最高。隨著溫度升高，生成Fe3O4的衍射峰的強(qiáng)度逐漸減弱。當(dāng)碳化溫度升高至1050c時(shí)，衍射峰最弱，說(shuō)明該溫度下磁性粒子的結(jié)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。)圖3-8不同炭化溫度得到的Fe3Q/C-YK的N2吸附-脫附和孔徑分布圖(A-800C,B-850C,C-900C,D-950C,E-1000C,F-1050C)Fe

52、3O4/C-YK復(fù)合材料樣品的N2吸附/脫附等溫線(xiàn)及孔徑分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖3-9。由圖可見(jiàn)，隨著溫度的變化，N2吸附/脫附等溫線(xiàn)和孔徑分布曲線(xiàn)變化幅度較大。因?yàn)樵诓煌販囟认拢苌浞宓膹?qiáng)弱不同，即石墨化程度不同，晶型整齊度不同，從而導(dǎo)致材料的比表面積不同。由圖3-9中可以得到樣品Fe3O4/C-YK-800、Fe3O4/C-YK-850、Fe3O4/C-YK-900、2Fe3O4/C-YK-950、Fe3O4/C-YK-1000、Fe3O4/C-YK1050的比表面積分別為172m/g、226m2/g、450m2/g、454m2/g、430m2/g、352m2/g。BJH吸附平均孔徑分別為6.5nm

53、、7.3nm、7.1nm、6.8nm、7.2nm、7.8nm。各物質(zhì)孔徑數(shù)和比表面積數(shù)如上列出，綜合比較可得，樣品Fe3O4/C-YK-1000性質(zhì)優(yōu)異，做下一步陽(yáng)極材料處理rnRa aropeasreva nHwtnrKsdA HJ8.0 ) m7.57.06.56.080085090095010001050Carbonized Temperaute ( )o O45TEB圖3-9不同炭化溫度得到的Fe3O4/C-YK的比表面積(Sbet)和BJH平均孔徑分布分析3.2電極電位極化曲線(xiàn)與伏安曲線(xiàn)在本質(zhì)上都表示電壓和電流的關(guān)系。具體做法：通過(guò)電腦系統(tǒng)測(cè)定穩(wěn)定狀態(tài)下，一系列電壓和電流的對(duì)應(yīng)數(shù)值，

54、并做出電壓和電流間的關(guān)系圖。該曲線(xiàn)可以用來(lái)描述和評(píng)價(jià)微生物燃料電池的性能，而且還可以得出電極電勢(shì)和電流密度的相互關(guān)系。3.2.1 鉗電極的電壓-電流關(guān)系柏與椰殼碳1,秸稈碳2,石墨碳3按一定比例混合的電壓電流關(guān)系電壓-電流0.00980.00780.00580.00380.0018-0.0002-0.0022-0.0042-300-100100300500電流* 椰殼碳與伯秸稈碳與伯 石墨碳與鉗圖3-10電壓-電流關(guān)系圖由圖3-10可以看出，三種鋁碳混合物的電壓電流關(guān)系具有相似性，但椰殼炭混合物的曲線(xiàn)相比較而言較好，所以做陽(yáng)極材料時(shí)，我們選擇鋁與椰殼炭制作材料。電流密度和功率密度的提高跟所選用

55、的材料有莫大的關(guān)系。電池的成敗材料是關(guān)鍵。盡可能減小損失，增大電流這個(gè)中心不能動(dòng)搖。3.2.2 鐵電極的電壓-電流關(guān)系鐵與椰殼碳1,秸稈碳2,石墨碳3三種碳按比例混合的電壓電流關(guān)系電壓-電流椰殼碳與鐵秸稈碳與鐵 石墨碳與鐵圖3-11電壓-電流關(guān)系圖由圖3-11可以看出，三種鐵碳混合物的電壓電流關(guān)系具有相似性，但椰殼炭混合物的曲線(xiàn)相比較而言較好，所以做陽(yáng)極材料時(shí)，我們選擇鐵與椰殼碳制作材料。這種材料可以減小活化損失和傳質(zhì)損失，從而測(cè)得較高的電流密度，功率密度，增大微生物燃料電池的電流。從陰陽(yáng)極材料的角度去提高產(chǎn)電效率。綜上所述，珀與椰殼炭，鐵與椰殼炭的混合物具有很好的提高電池效率的作用，因此可以用來(lái)做陽(yáng)極材料。結(jié)論本課題主要探討研究不同陽(yáng)極材料的單極室微生物燃料電池(MF