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。     

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。     

O_2还原生物阴极电催化膜耦合反应器降低启动电压的研究

分别采用活性炭和石墨毡两种不同的碳材料作为阴极电极材料和微生物载体以构建O_2还原生物阴极电催化膜耦合反应器。采用阴极电势、电流等电化学表征,证明石墨毡比活性炭更易形成生物阴极。对石墨毡生物阴极进行了16S rRNA微生物群落分析,证实了电化学活性微生物的存在。反应器启动成功后,电流密度从0增大到0.015 mA/cm~2。与电催化膜反应器相比,其启动电压降低。     

发泡金属电极的宏观反应速率及电势分布

研究了发泡金属电极的性质 ,得出了描述发泡金属电极床层中宏观反应速率、反应速率随时间的变化、床层中电解液的电势分布方程式 .以K₃Fe(CN) ₆的阴极还原反应为研究体系 ,采用垂直型隔膜电解槽对上述方程进行了实验验证 ,测定了发泡镍、发泡铜作阴极时床层中电解液的电势分布 ,研究了电解质进口浓度、电解液流速、电解液有效电导率、槽电压、电极尺寸等因素对电解液电势分布的影响 ,模型结果与实验结果符合较好     

Ni-PVDF中空纤维膜阴极促进微生物电合成产甲烷

微生物电解池可以利用含产甲烷菌的生物阴极还原CO₂产甲烷。通过化学镀镍法制备导电的镍基聚偏氟乙烯(Ni-PVDF)中空纤维膜,将Ni-PVDF中空纤维膜组装为膜组件电极,充当微生物电合成系统阴极。阴极镍层催化的析氢反应产生的H₂与CO₂被氢营养型产甲烷菌利用,并通过间接电子传递生产甲烷。结果表明,系统运行稳定之后,Ni-PVDF中空纤维膜组件阴极的CO₂直接传输系统的累积甲烷产量(2 176.24 mmol/(L·m²))远大于该膜组件仅作为阴极的CO₂间接传输系统的累积甲烷产量(613.94 mmol/(L·m²))。膜组件阴极的高比表面积以及膜组件阴极直接CO₂传输降低了气液传质阻力,确保了直接CO₂传输系统的高甲烷产量。     

采用泡沫铜电极的热再生氨电池性能数值模拟

以采用泡沫铜电极的热再生氨电池（thermally regenerative ammonia-based battery,TRAB）为研究对象,建立了多孔介质内物质传输与电化学反应耦合的稳态模型,计算获得了电池性能及多孔电极内物质传输特性,并研究了电解质浓度和电极孔隙率对电池性能的影响。研究结果表明,从主流区界面到多孔电极内部,阳极氨和阴极铜离子浓度逐渐降低,存在一定的浓度梯度,而且随着反应电流的增大,浓度梯度明显增大。在一定的范围内分别增大阳极氨浓度和阴极铜离子浓度,从主流区向多孔电极内物质传输增强,电池性能均能不断提升;随着硫酸铵浓度的增大,电解质电导率增大,电池性能逐渐提升,但增幅逐渐减小。此外,多孔电极孔隙率也会影响电池性能,本研究中TRAB在电极孔隙率为0.6时获得最高的最大功率(15.3 mW)。     

阴极极化对微生物在电极表面附着的影响

以天然海水作为电解质,利用荧光显微镜、扫描电镜等表征方法和开路电位、恒电位极化等电化学测试手段研究了生物膜附着与电极表面电位的相互影响。结果表明：（1）生物膜在电极表面的附着导致了开路电位正移;（2）阴极极化能有效抑制微生物附着,并且阴极氧还原反应是阴极极化抑制微生物附着的主要原因;（3）搅拌等能促进阴极反应、增大阴极极化电流密度的措施都会在一定程度上利于阴极极化对微生物附着的抑制作用。     

单室直接微生物燃料电池的阴极制作及构建

在研制含铁离子阴极电极板的基础上,构建了单室直接微生物燃料电池. 通过实验考察了单室无介体微生物燃料电池的产电规律及阴极板中铁离子含量对产电的影响. 实验证明,单室直接微生物燃料电池是可行的,电能的输出主要依赖吸附在电极表面的细菌形成的生物膜,而与悬浮在溶液中的细菌及溶液中的其他物质基本无关. 在单室无介体微生物燃料电池的阴极板中添加铁离子,通过铁离子在二价和三价间的循环转化,提高了电子的传递速率,加快了质子和氧气的反应,电池的输出功率达到14.58 mW/m2.     

基于电-化-热耦合关系NH3-SOFC数值模拟

为探究高温工作状态下的电池内部运行情况，对固体氧化物燃料电池(SOFC)电化学性能及传热传质分布情况进行有效分析，利用COMSOL Multiphysics软件，结合电池内气体扩散、浓物质传递、热量传递和电极中二次电流密度构建多物理场模型，研究了NH₃-SOFC中的传热传质、化学和电化学反应特性。结果表明：燃料为氨气时，提高电池工作温度有利于提高电池输出功率，当1 073.2 K工作温度继续提高时，最大功率和电流密度增长速度降低；NH₃-SOFC与H₂-SOFC输出性能相近。进一步探究了温度和反应物进气摩尔分数对NH₃-SOFC性能影响。发现入口氨气摩尔分数自0.7提升至1时，电池性能得到明显提高；而氧气摩尔分数高于0.2时，其对电池性能影响较小，空气可作为电池阴极气体使用。     

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%。     

Cadmium-based metal-organic frameworks for high-performance electrochemical CO2 reduction to CO over wide potential range

Electrochemical CO₂ reduction (ECR) powered by renewable energy sources provides a sustainable avenue to producing carbon–neutral fuels and chemicals. The design and development of high performance, cost-effective, and stable catalysts for ECR remain a focus of intense research. Here, we report a novel electrocatalyst, two-dimensional cadmium-based 1,4-benzenedicarboxylate metal–organic frameworks (Cd-BDC MOFs) which can effectively convert CO₂ to CO with a faradaic efficiency (FE) of more than 80.0% over the voltage range between -0.9 and -1.1 V (versus reversible hydrogen electrode, vs. RHE) in 0.1 mol·L^-1 CO₂-saturated KHCO₃ solution with an H-type cell, reaching up to 88.9% at -1.0 V (vs. RHE). The performance outperforms commercial CdO and many other MOF-based materials demonstrated in prior literature. The catalytic property can be readily tuned by manipulating synthesis conditions as well as electrolyte type. Especially, high CO FEs exceeding 90.0% can be attained on the Cd-BDC electrode at potentials ranging from -0.16 to -1.06 V (vs. RHE) in 0.5 mol·L^-1 KHCO₃ solution by using a gas diffusion electrode cell system. The maximum CO FE approaches ~97.6% at -0.26 V (vs. RHE) and the CO partial geometric current density is as high as about 108.1 mA cm^-2 at -1.1 V (vs. RHE). This work offers an efficient, low cost, and alternative electrocatalyst for CO₂ transformation.     

流场对MEC生物阴极CO2还原性能与产物的影响

针对微生物电解池 （microbial electrolysis cell,MEC）CO₂还原过程阴极CO₂还原速率低的问题,本文通过改变阴极室的流场环境,探究流场对生物阴极启动、运行、产物及功能微生物的影响,阐明MEC生物阴极CO₂还原性能、产物转化、微生物群落对流场的响应关系。结果表明,流场不仅增强了生物阴极还原CO₂能力（电子消耗量提高了10%,其中CO₂产乙酸途径消耗电子量提高了30%）,还使生物阴极的CO₂还原途径由启动阶段的CO₂还原产甲烷转变为运行阶段产乙酸。高通量分析表明,流场改变了生物阴极和阴极液的微生物群落结构,使阴极生物膜的嗜氢型产甲烷菌（Methanobacterium）向嗜乙酸型产甲烷菌（Methanosaeta）主导的群落演变。产乙酸菌群落（Petrimonas、Candidatus_Caldatribacterium）丰度较对照组提高了3.8%,在CO₂产乙酸过程中起到重要作用。本研究可为MEC还原CO₂产乙酸的定向调控研究提供理论和技术支撑。     

基于原位红外光谱的水相苯酚电氧化机理研究

采用电化学原位红外光谱技术,研究了苯酚在Pt电极表面的电化学氧化机理。在0.1 mol/L Na₂SO₄溶液中,Pt电极上电化学氧化苯酚的反应电位为+0.9~1.0 V（vs SCE）、析氧电位为+1.3 V;电化学原位红外光谱结果表明,当电位<0.9 V时,苯酚氧化产物主要为苯二酚、醌及少量醇类物质;电位0.9~1.1 V时,苯环结构被破坏,氧化产物主要为酮、酸、醇和CO₂;根据官能团吸收峰的变化,苯酚在Pt电极表面氧化经历如下途径：苯酚→苯二酚→苯醌→酮、醇、酸→CO₂。同时研究了NH₄⁺对苯酚在Pt电极表面的电氧化的影响,结果表明在低电位区（<0.9 V）对苯酚氧化构成竞争。     

对甲基苯磺酸在Ti/PbO2电极上的电氧化反应信息

采用原位红外光谱法系统地研究了对甲基苯磺酸（p-TSA）在钛基二氧化铅（Ti/PbO₂）电极上的电氧化反应信息。循环伏安曲线显示,Ti/PbO₂对p-TSA有良好的电氧化活性,直接氧化电位区间为0.55~0.9 V。多步电位阶跃FTIRS（MSFTIRS）和时间分辨FTIRS（TRFTIRS）分析显示,电压小于1000 mV时,p-TSA主要发生了磺酸基的脱落和苯环侧链甲基的氧化;电压大于1000 mV时,p-TSA的苯环骨架被破坏,同时生成了酸、醇、酮。反应动力学研究结果表明,p-TSA电氧化表观速率常数K与电流密度j呈线性关系,化学需氧量（COD）去除量随比电荷增大而增加,平均电流效率则呈下降趋势。     

Evaluation of applied cathode potential to enhance biocathode in microbial fuel cells

BACKGROUND: The biocathode is proving to be a promising feature for development of the microbial fuel cell (MFC), although much work remains to be done to increase its power generation. This study aimed to enhance the performance of a biocathode by applying selected cathode potential. RESULTS: When five two‐chambered MFCs were operated at selected cathode potentials of 142, 242, 342, 442, or 542 mV (vs standard hydrogen electrode), those MFCs with selected potentials lower than 342 mV could start up, and the highest power density of 0.11 W m^?3 was obtained at a selected potential of 242 mV. An inner‐biocathode MFC was then constructed and operated at a start‐up cathode potential of 242 mV for 30 days. The open circuit cathode potential increased from 477 ± 9 mV to 572 ± 8 mV compared with the potential of the initially abiotic cathode, resulting in an increase in the maximum power density (4.25 ± 0.16 W m^?3) of 106%. In addition, tests of continuous operation showed that a loading rate of 135 mg COD L^?1 d^?1 was optimal for obtaining maximum power generation in the system developed for this study. CONCLUSION: The results indicated that an optimal cathode potential of 242 mV enhanced the performance of a biocathode using oxygen as the electron acceptor. Copyright © 2009 Society of Chemical Industry     

Ni、Cu共浸渍的LSCM-GDC复合阴极性能研究

固体氧化物电解池可以清洁、高效地将电能和热能转化为化学能,在新能源领域具有广阔的应用前景。La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O_3-δ(LSCM)具有较好的高温稳定性,但离子电导率相对较低,在电解过程中电催化性能不足。本文将LSCM与具有较高离子导电性的Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ(GDC)复配构造复合电极,并以共负载的形式在复合电极中浸渍纳米Ni、Cu金属催化剂提高电极的水蒸气吸附和转化能力,Ni、Cu共负载能够同时保留单一Ni或Cu负载对电极电解机制的改善。结果表明,Ni、Cu共负载相比于单一Ni或Cu负载电极在还原性气氛下具有更高的电化学性能,在还原性气氛和800℃工作温度下,镍铜质量比2∶8的负载电极在-0.1 V过电位下的电流密度可达到2.36 A·cm^-2,极化阻抗为0.92Ω·cm²。     

聚苯胺中间层改性Ti/PbO2电极的制备及其降解性能

引入导电聚合物聚苯胺膜（PANI，polyaniline）对Ti/PbO₂电极进行改性，采用两步电沉积法成功制备出Ti/PANI/PbO₂电极。通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射(XRD)、线性伏安扫描(LSV)和交流阻抗(EIS)对制备的电极进行表征，以甲基橙为目标污染物，探讨了PANI的沉积时间对电极性能的影响，并研究了Ti/PANI/PbO₂电极对罗丹明B和4-硝基苯酚的降解性能。结果表明，PANI的引入未影响活性层PbO₂的晶相结构和形貌特征，但显著提高了电极的析氧电位，Ti/PANI/PbO₂的析氧电位可达3.43V。当PANI聚合时间为30min时，电极Ti/PANI-30/PbO₂的电化学性能和电催化降解效果最佳。在电流密度为30mA/cm²、污染物初始浓度为50mg/L、Na₂SO₄浓度为0.1mol/L的实验条件下，反应120min后，Ti/PANI-30/PbO₂对甲基橙、罗丹明B和4-硝基苯酚的去除率分别为99.8%、99.9%和94.0%。     

锂离子电池电极中多级孔道结构设计

在较高充放电速率下,锂电池电极中Li⁺扩散受限严重,致使电池性能显著降低。为了减弱扩散限制,设计电极的孔结构是一种行之有效的方法。本工作以LiCoO₂正极为模型电极,利用建立的二维模型,优化了电极中含低曲折因子孔道的多级孔道结构。这些低曲折因子孔道可作为Li⁺传输的“高速公路”,优化其孔隙率和孔径,可大幅度提升高放电倍率下的能量密度。低曲折因子孔道的最佳孔隙率高度依赖于其孔径,其直径小于10 μm较优。当电极厚度为200 μm且总孔隙率为0.36时,优化后的多级孔电极相比于传统电极,能量密度可提高45.9%~91.4%。此外,当Li⁺的扩散限制较弱时（例如,电极厚度≤50 μm和总孔隙率≥0.48）,优化电极的多级孔结构并不会显著提升电极性能。本工作可为锂电池电极中多级孔道结构的设计提供一定的指导。     

Modelling effects of current distributions on performance of micro-tubular hollow fibre solid oxide fuel cells

A three-dimensional model, considering mass, momentum, energy and charge conservation, was developed and the equations solved to describe the physico-chemical phenomena occurring within a single, micro-tubular hollow fibre solid oxide fuel cell (HF-SOFC). The model was used to investigate the spatial distributions of potential, current and reactants in a 10 mm long HF-SOFC. The predicted effects of location of current collectors, electrode conductivities, cathode thickness and porosity were analysed to minimise the ranges of current density distributions and maximise performance by judicious design. To decrease the computational load, azimuthal symmetry was assumed to model 50 and 100 mm long reactors in 2-D. With connectors at the same end of the HF-SOFC operating at a cell voltage of 0.5 V and a mean 5 kA m⁻², axial potential drops of ca. 0.14 V in the cathode were predicted, comparable to the cathode activation overpotential. Those potential drops caused average current densities to decrease from ca. 6.5 to ca.1 kA m⁻² as HF-SOFC length increased from 10 to 100 mm, at which much of the length was inactive. Peak power densities were predicted to vary from 3.8 to <2.5 kW m⁻², depending on the location of the current collectors; performance increased with increasing cathode thickness and decreasing porosity.