微生物燃料电池中阴极长期运行的性能分析

微生物燃料电池（MFC）阴极性能在长期运行过程中逐渐下降,查明其下降原因对MFC技术的实际应用具有重要意义。采用泡沫镍阴极研究了阴极长期运行过程中阴极下降的原因。研究发现：MFC运行4个月之后功率密度相比运行1周的MFC下降达22%,测试电极极化曲线发现阴极性能的下降是导致MFC功率密度下降的主要因素。线性伏安扫描（LSV）结果显示：运行初期在-0.2 V电势下阴极电流密度为12.3 A·m^-2,而运行4个月后,阴极电流密度下降为4.2 A·m^-2,阴极性能随运行时间增加而降低主要表现在大电流区域[>-0.05 V （vs Ag/AgCl）]。对阴极表面和内部进行扫描电子电镜（SEM）分析发现：阴极表面没有明显的生物膜,氧扩散实验发现阴极氧扩散量明显降低是造成阴极性能下降的主要原因;通过能谱分析（EDS）可知阴极内部有磷酸盐析出。这些结果说明阴极内部在长期运行过程中逐渐析盐,而析盐导致泡沫镍阴极内孔隙堵塞,阻碍氧扩散到催化层,从而使阴极性能降低。     

MoCo@NF电极材料的制备及析氧性能研究

为研究水热法制备泡沫镍负载钼钴析氧电极材料的影响因素,采用正交实验方法制备了一系列析氧电极材料,结合电化学性能分析得出降低析氧过电位的最佳条件。通过SEM、EDS及电化学性能研究了最佳条件下制备的电极材料,研究表明,泡沫镍表面负载了呈现出花朵状的钼钴氧化物,表现出较好的析氧性能,其电极电流密度在100m A·cm^-2的过电位为311m V,Tafel斜率为72m V·dec^-1,双电层电容Cdl为20.85m F·cm^-2,1h内电流密度保持率达95.71%。     

MoO_3/石墨烯/碳纳米管复合阴极在MFCs中的应用

采用简单的水热合成法制备了氧化钼(MoO_3)/石墨烯(GNS)/碳纳米管(CNT)复合材料。用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)表征了材料的形貌和结构。用循环伏安(CV)和线性扫描(LSV)测试了材料的氧还原催化性能,结果发现,复合材料的氧还原电流和起始电位均大大优于单一的MoO_3,表现出较好的催化性能。含有3mg·cm~(-2) MoO_3/GNS/CNT复合材料作为阴极催化剂的MFC最大功率密度为510 m W·m~(-2),达到商业铂碳的83%。因此,廉价的MoO_3/GNS/CNT复合材料作为MFC阴极氧还原催化剂具有巨大的应用潜力。     

泡沫镍上原位合成硒化镍与电解水性能研究

过渡金属硒化物已被认为是一类极具发展前景的电解水催化剂。以泡沫镍为基底和镍源,通过一步水热法在泡沫镍上负载硒化镍制备电催化剂(记为Ni-Se@NF)。扫描电镜图表明,在泡沫镍表面原位生长合成了一层纳米颗粒;X射线衍射和X射线光电子能谱表征证明该层纳米颗粒为Ni_(0.85)Se和Ni_3Se_2。在1 mol·L~(-1)KOH电解质中,对Ni-Se@NF电极进行了双催化电解水性能测试。Ni-Se@NF电极的析氢电流密度10 mA·cm~(-2)时的超电势为153 mV,析氧电流密度50 mA·cm~(-2)时的超电势为340 mV,并表现出良好的稳定性。     

微生物燃料电池MnO2/S-AC泡沫镍空气阴极的制备及其性能

利用超级电容器活性炭(S-AC)直接还原KMnO₄制备出复合比例分别为1:3、1:1和3:1的MnO₂/S-AC复合催化剂, 进而负载于泡沫镍上制得MnO₂/S-AC泡沫镍空气阴极。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能量散射X 射线谱(EDX)和比表面积(BET)及孔分布测试对所制复合催化剂表征可知, 随复合比例的增加, 在S-AC表面的MnO₂由纳米薄片聚集成粒径为300～500 nm的颗粒, MnO₂/S-AC的内部及外部表面积都有所减少。基于线性扫描伏安曲线、功率密度曲线和极化曲线分析微生物燃料电池(MFC)的阴极性能和产电性能。复合比例为1:3时, MFC最大功率密度达到321.2 mW·m^-2, 比阴极负载S-AC时提高了约20%, 这与其较高的比表面积和MnO₂良好的催化活性相关。MnO₂/S-AC复合催化剂控制在一定的质量比时, 可以有效提高阴极性能及MFC的产电效果, 有助于空气阴极MFC的的放大和工程应用。     

空气阴极微生物燃料电池处理垃圾渗滤液

微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物做催化剂,处理废水的同时能产电的新型污水处理技术,因其"变废为宝"的能力而得到快速的发展。其中,以空气做阴极的单室MFC,因其省却了不断添加阴极液的过程、提高功率输出的同时降低成本而受到越来越多的关注。垃圾渗滤液中含有高浓度的COD和氨氮,可生化性差、生物处理难度大。为了寻找高效经济的渗滤液处理技术,本项目通过构建单室微生物燃料电池,分析垃圾渗滤液在MFC中的处理效果及产电性能,结果表明,当以PTEF为扩散层时,最高输出电压2.005 V,最高功率密度为3.2 W?m-2,均高于PDMS扩散层;以PTEF为扩散层制作空气阴极对垃圾渗滤液中的COD和氨氮进行处理,去除率分别为90%和78%,运行12~16 d最优。     

泡沫镍上原位制备FeOOH/MoSey及电解水双催化性能研究

为设计同时具有优异电催化析氢和析氧性能的过渡金属基催化剂，以泡沫镍为载体和集流体，原位制备了硒化钼(MoSe_y)和羟基氧化铁(FeOOH),得到FeOOH/MoSe_y@Ni复合材料。表征结果表明，先通过电沉积法原位生长了MoSe_y层，再以该MoSe_y层为成核点，通过常温浸泡生长形成了由FeOOH纳米片组成的微米绒球。在三电极体系中，以1 mol·L^-1 KOH溶液为电解液，该FeOOH/MoSe_y@Ni复合材料表现出优异的电催化析氢和析氧性能，析氢电流密度在10 mA·cm^-2时的过电位(η₁₀)为128 mV,析氧电流密度在20 mA·cm^-2时的过电位(η₂₀)为306 mV,并具有较小的Tafel斜率、较大的双电层电容(C_dl)值和良好的稳定性。FeOOH/MoSe_y@Ni优异的电催化性能主要由于三维开放的泡沫镍骨架和原...     

利用微生物燃料电池同步降解沼液和三苯基氯化锡

微生物燃料电池(MFC)作为一种同步产电和除污的新型电化学装置,为有效处理难降解有机污染物提供了一种途径。基于阴极Fenton反应,提出了一种耦合典型双室MFC中阳极沼液产电及阴极降解有机锡的新方法。结果表明,阳极产电生物膜经驯化后MFC的最高电压提高了50.32%,而且电压稳定时间延长了1倍。MFC运行结束后,阳极沼液COD、总氮、总磷的去除率分别为85.35%±1.53%、59.20%±5.24%、44.98%±3.57%。阴极三苯基氯化锡(TPTC)的降解率随其初始浓度增加而降低。在添加100μmol·L~(-1) TPTC时,MFC的最高输出电压为280.2m V,最大功率密度为145.62 m W·m-2。TPTC在14 d后完全降解,降解效率为91.88%,降解速率约为0.273μmol·L~(-1)·h~(-1)。研究结果可为利用MFC同步处理阳极有机废水和阴极有机污染物的实际应用提供基础支持。     

MFC处理低浓度焦化废水的试验研究

使用单室空气阴极微生物电池处理焦化废水,以电压、电流密度、功率密度、COD去除率、p H为考察指标,分别用铂、四氧化三铁、二氧化锰作阴极,对比其去除效率和产电能力。实验结果表明,铂阴极的产电能力和废水处理效果最好,开路电压最大值达到521.469 m V。当电流密度为2.4 A/m2时功率密度达到最大值0.195 W/m2,COD去除率为82.9%;二氧化锰阴极MFC效果次之,四氧化三铁阴极MFC的效果最差。     

小球藻生物阴极型微生物燃料电池的基础特性

利用自行设计的阴极管状光生物反应器式微生物燃料电池(MFC)作为实验模型,考察了阴极室投加小球藻后不同光暗周期下电池的产电、阴极溶氧及阴极藻的生长情况. 结果表明,阴极投加小球藻后,电池产电性能明显提高,光暗间歇组最大功率密度为24.4 mW/m2,持续光照组最大功率密度为27.5 mW/m2. 阴极溶氧及电化学分析证实溶氧是影响电压变化的主要因素,持续光照组溶氧较稳定,但比光暗间歇组光照阶段溶氧水平低;MFC阴极室培养小球藻不会对其造成毒害,光暗间歇时小球藻生长较好. 运行小球藻生物阴极型MFC采用光暗间歇培养较好,并可适当延长光照时间.     

镍铁锌复合电极的制备和电化学性能表征

通过电沉积方法在泡沫镍表面沉积镍铁锌复合材料来制备析氢电极。通过改变电沉积的电流大小和沉积时间来调控镍铁锌复合材料的形貌和结构,利用泡沫镍和复合材料的高催化性、高比表面积和高电导性的特性,研究不同形貌和结构的复合电极对析氢效果的影响。运用多种分析测试技术对制备的复合材料进行表征,并通过电化学方法对复合电极的析氢性能进行研究,研究表明当电沉积的阴极电流密度为80m A、沉积时间为3600 s时,复合材料的电催化析氢性能最好。     

一体式无粘结剂rGO@MnO_2不锈钢纤维毡空气阴极的制备

利用化学及电化学方法将非贵金属催化剂石墨烯(rGO)和纳米MnO_2依次负载到三维多孔不锈钢纤维毡(Stainless steel fiber felt,SSFF)集电体上制备微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)空气阴极。在增大空气阴极活化面积的同时有效减小接触阻抗。通过物理和电化学方式测试表征其形貌、氧还原特性。在MFC中的运行结果表明,负载5 mL还原性氧化石墨烯再浸渍生长MnO_2的不锈钢纤维毡(rGO@MnO_2-SSFF)空气阴极的最大功率密度(524.34 mW/m~2)是不锈钢纤维毡阴极(58.21 mW/m~2)的9倍。经过复合催化剂rGO@MnO_2修饰之后的不锈钢纤维毡空气阴极可以应用于MFC并大幅改良SSFF空气阴极的氧还原催化性能。     

电化学除盐过程中钢筋表面发生的电极反应

对氯盐污染混凝土进行电化学除盐时阴极附近产生的气体进行收集与分析,研究了电化学除盐时钢筋表面发生的电极反应.结果表明:在电化学除盐前期钢筋表面析氢和耗氧反应同时存在,在氧气消耗到一定程度后,电极反应主要为析氢反应.析氢反应主要取决于电流密度,氢气的生成常数kH2与电流密度I存在线性关系kH2=5.36×10-8I-1.99×10-8;耗氧反应则在除盐早期决定于电流密度,而后期则取决于O2扩散到混凝土表面的速率.     

中性柠檬酸盐溶液电镀镍工艺的研究

采用柠檬酸钠作为配位剂在中性电解液中电沉积镍。研究了柠檬酸钠的质量浓度和阴极电流密度对中性柠檬酸盐电镀镍过程及镀层性能的影响。结果表明:随着柠檬酸钠的质量浓度的增加,镀镍层表面的结瘤减少,裂纹变多,镀层的硬度增大,但电解液的阴极电流效率降低;随着阴极电流密度的增大,镀镍层表面出现裂纹和大量结瘤,硬度先增后降,阴极电流效率下降。     

阴极材料对MEC-AD体系产甲烷性能的影响评估

为了研究阴极材料对微生物电解池(MEC)耦合厌氧消化(AD)体系产甲烷性能的影响，分别将不锈钢、钛、泡沫铜、泡沫镍作为阴极，分析不同阴极材料所处体系在不同电压条件下的产气性能、阴极材料的电化学特性以及阳极微生物群落结构。结果表明：在4种阴极材料中，泡沫铜和泡沫镍所处的体系产甲烷、析氢性能最强，电子传递效率及电化学活性较不锈钢和钛强，所处体系中阳极产甲烷功能菌含量明显高于不锈钢和钛，故直接电子传递效率较强。由于泡沫铜易被氧化，故泡沫镍作为阴极材料具有一定的优越性。     

以沼液为原料的微生物燃料电池产电降解特性

为提高生物质能源利用效率,降低废水处理成本,实验构建单室无膜空气阴极微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC),碳布作为阴阳极材料,将牛粪沼液作为接种液及底物进行产电性能测试,同时考察了MFC对该沼液的降解效果。结果表明,MFC能够利用沼液进行产电,最高输出电压330 mV,内阻10 kΩ,最大功率密度为10.98 mW·m-2,沼液中的不可溶性物质是导致MFC输出电压、功率密度低的重要原因。MFC的运行对沼液中的有机物、氮、磷等物质具有一定的降解能力,24 h内去除率分别达到20.73%、67.82%、72.56%。因此,MFC作为产生电能的新方法,在联合处理沼液等有机废水节能减排方面具有广阔前景。     

Fe-(NiSe2/Ni3Se4)@NFF电极的制备及其电解水性能研究

利用亚硒酸钠在溶剂热条件下直接对镍铁合金泡沫(NFF)进行硒化，后热处理成功制备了具有纳米结构的Fe-(NiSe₂/Ni₃Se₄)@NFF材料。没有外加金属源，将NFF作为唯一金属来源，成功制备了铁掺杂镍硒化物自支撑电极。该材料在碱性介质中对析氢和析氧均表现出优异的催化性能。若将该材料同时作为阴极和阳极驱动全解水时，仅需1.55 V的槽电势就可以到达10 mA/cm²的电流密度。该合成方法简单、操作易行、环保节能，旨在创造一种有较强本征活性和耐久性的全解水催化剂。     

连续流生物阴极微生物燃料电池废水处理与产电性能

微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物的新陈代谢作用将化学能转化为电能的装置。实验以石墨为电极材料,乙酸钠模拟废水为阳极底物,以厌氧活性污泥为厌氧菌种,驯化后的好氧污泥为好氧菌种,构建了双室连续流生物阴极MFC反应器。研究了连续流生物阴极MFC在降解乙酸钠废水同时的产电性能。结果表明,在外电阻为50Ω的情况下,未加NaCl溶液时,连续流好氧生物阴极MFC的最大电流密度为0.29 mA/m2,加入NaCl溶液后,最大电流密度为0.75 mA/m2,是未添加NaCl溶液MFC的2.59倍,输出功率密度是未加NaCl溶液的6.84倍。阳极室出水进入阴极室,研究了连续流好氧生物阴极废水处理效果。结果表明,COD的去除率随MFC运行时间的增加呈上升趋势,MFC稳定运行后,COD的去除率维持在60.1%～66%。     

M-N-C阴极催化剂的制备及其在微生物燃料电池中的应用

以聚苯胺和硝酸盐为前驱体,采用热处理法制备了M-N-C(M=Fe,Co)材料,并将其作为厌氧流化床微生物燃料电池(AFBMFC)阴极催化剂。通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)对催化剂进行晶型结构和表面形貌的表征。采用循环伏安法(CV)对催化剂的电化学性能进行考察,并应用于AFBMFC,考察了其对电池产电性能的影响。结果表明,使用Fe-N-C催化剂的微生物燃料电池稳定运行时,开路电压达到636.0 mV,功率密度达到166.82 mW·m-2,比使用Pt/C催化剂的微生物燃料电池的功率密度提高10%。表明Fe-N-C催化剂用做微生物燃料电池阴极催化剂具有潜在的应用前景。     

新型析氧电催化剂IrO_2/ATO的高效制备及性能

固态聚合物电解质(SPE)水电解是前景光明的氢能技术,但尚缺乏性能稳定的析氧电催化剂。研究了以氧化锡锑(ATO)为载体的Ir O2催化剂高效制备新方法。采用SEM、TEM、XRD以及XPS等手段表征和分析了所得催化剂的表面形貌、晶体结构以及表面元素组成。运用循环伏安、准稳态极化曲线、电化学交流阻抗谱以及计时电流法等电化学方法研究了催化剂材料的电化学催化析氧性能以及催化剂载量的影响。结果表明,新制备方法得到的Ir O2/ATO催化剂材料1.6 V时的析氧电流密度为105 m A·cm-2。并且在酸性介质和1.5 V下催化剂的析氧电流密度衰减速率为1.687×10-2(m A·cm-2)·h-1。提高催化剂的载量使电极析氧反应表观电流密度显著增加,尽管单位质量Ir产生的电流会有所降低。