石墨烯/聚苯胺修饰阳极对微生物燃料电池性能的影响

纳米材料修饰阳极可显著提高微生物燃料电池(MFC)性能,本研究主要探索了石墨烯、聚苯胺和石墨烯/聚苯胺复合修饰电极对MFC产电性能的影响。使用电化学方法电镀石墨烯于碳布表面,进一步通过原位聚合法制备聚苯胺来修饰碳布电极。将修饰电极装载入双室型MFC中,测量其产电性能,并对电极进行表征,测量电化学性能。通过扫描电镜观察到,碳布能够被修饰上石墨烯和聚苯胺,并且聚苯胺附着于碳纤维或石墨烯薄层表面,形成棒状的纳米结构。产电性能方面,装载石墨烯/聚苯胺修饰电极的MFC最大输出电压最高,达到了(291±22) mV,比装载空白碳布电极的对照组MFC提高了175%以上。石墨烯/聚苯胺电极组MFC的最大输出功率密度同样最高,达到了(653±25) mW·m~(-2),为空白碳布对照组的10.5倍。实验结果表明:石墨烯/聚苯胺复合修饰电极可有效利用石墨烯导电性好和聚苯胺生物相容性高的优点,显著提高MFC的产电性能。     

石墨烯/聚苯胺复合阳极的制备及在MFC中的应用

采用化学氧化还原法制备高纯度石墨烯（GR）,利用电化学修饰法得到石墨烯/聚苯胺（GR/PANI）膜阳极,采用红外光谱（FI-IR）、X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）对所制备复合电极进行了表征,采用循环伏安法（CV）、交流阻抗法（EIS）考察了复合电极的电化学性能。将GR/PANI膜阳极应用于固定床微生物燃料电池（MFC）,考察了电池的产电性能。均匀地附着在石墨烯表面,GR/PANI膜电极具有良好可逆性,其电阻小、导电性良好。GR/PANI膜阳极应用于MFC,最大功率密度和开路电压分别为230.2 mW·m^-2和834.6 mV,比未修饰阳极的最大功率密度和开路电压分别提高了110.6%和34.8%,GR/PANI膜阳极的表观内阻也由未修饰阳极的843.2Ω降低为469.4 Ω,且电池启动时间大大缩短,产电稳定性增强。结果表明,GR/PANI复合物是一种优良的电极材料,GR/PANI膜阳极MFC具有良好的产电性能。     

石墨烯/聚苯胺复合阳极的制备及在MFC中的应用

采用化学氧化还原法制备高纯度石墨烯(GR),利用电化学修饰法得到石墨烯/聚苯胺(GR/PANI)膜阳极,采用红外光谱(FI-IR)、X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)对所制备复合电极进行了表征,采用循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)考察了复合电极的电化学性能。将GR/PANI膜阳极应用于固定床微生物燃料电池(MFC),考察了电池的产电性能。均匀地附着在石墨烯表面,GR/PANI膜电极具有良好可逆性,其电阻小、导电性良好。GR/PANI膜阳极应用于MFC,最大功率密度和开路电压分别为230.2 mW·m-2和834.6 mV,比未修饰阳极的最大功率密度和开路电压分别提高了110.6%和34.8%,GR/PANI膜阳极的表观内阻也由未修饰阳极的843.2Ω降低为469.4Ω,且电池启动时间大大缩短,产电稳定性增强。结果表明,GR/PANI复合物是一种优良的电极材料,GR/PANI膜阳极MFC具有良好的产电性能。     

GO/PEDOT复合材料修饰阳极的制备及其在MFC中的应用

微生物燃料电池（MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置,通过改善阳极特性可以有效提高微生物燃料电池的产电性能。通过恒电流法电沉积制备了氧化石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩（GO/PEDOT）复合材料修饰碳毡（CF）阳极。通过循环伏安法和交流阻抗法考察了电极特性。将其应用到微生物燃料电池中,对其产电性能进行评价。结果表明,GO/PEDOT-CF电极具有较大的比表面积和优良的电化学性能;以GO/PEDOT-CF为阳极的微生物燃料电池,产电性能良好,其最大功率密度和最大电流密度达到1.138 W·m^-2和4.714 A·m^-2,分别是未修饰阳极的4.80倍和5.51倍。因此,GO/PEDOT复合材料是一种优良的阳极修饰材料,可有效提高MFC的产电性能。     

GO/PEDOT复合材料修饰阳极的制备及其在MFC中的应用

微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置,通过改善阳极特性可以有效提高微生物燃料电池的产电性能。通过恒电流法电沉积制备了氧化石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩(GO/PEDOT)复合材料修饰碳毡(CF)阳极。通过循环伏安法和交流阻抗法考察了电极特性。将其应用到微生物燃料电池中,对其产电性能进行评价。结果表明,GO/PEDOT-CF电极具有较大的比表面积和优良的电化学性能;以GO/PEDOT-CF为阳极的微生物燃料电池,产电性能良好,其最大功率密度和最大电流密度达到1.138W·m?2和4.714 A·m?2,分别是未修饰阳极的4.80倍和5.51倍。因此,GO/PEDOT复合材料是一种优良的阳极修饰材料,可有效提高MFC的产电性能。     

碳纸和碳布电极微生物燃料电池产电特性的对比研究

以厌氧污泥为接种微生物构建H型双室微生物燃料电池,考察不同电极材料(碳纸和碳布)对微生物燃料电池(MFC)产电性能的影响。结果表明,采用碳布为电极材料的MFC启动更快,18 h达到稳定,但在稳定期采用碳纸为电极材料比采用碳布为电极材料的MFC电压高出20 m V左右。采用碳布电极材料的MFC在启动初期的最大功率密度为4. 7 m W/m~2,内阻为1 782Ω;采用碳纸电极材料的MFC在启动初期的最大功率密度为8. 5 m W/m~2,内阻为1 125Ω,且驯化结束后稳定期的电压(313 m V)比碳布电极材料的MFC(282 m V)高,故MFC电极材料采用碳纸的产电效果优于碳布。     

电极对微生物燃料电池同时处理有机废水和含铜重金属废水产电性能的影响

实验以有机废水为阳极底物,以活性污泥中的混合菌为阳极接种微生物,以含铜废水为阴极液,构建双室MFC,探讨电极对MFC同时处理有机废水和含铜重金属废水产电性能的影响.结果表明:MFC对阳极有机废水COD的去除率最高为79.1%,对阴极液中Cu²⁺的去除率最高为95.6%.活性炭/石墨棒电极MFC产电性能最优,开路电压最高为800mV,是石墨棒电极MFC的1.25倍,是活性炭/碳纸电极MFC的1.3倍,是碳纸电极MFC的1.5倍.当电极距离为2cm时,MFC开路电压580mV,内阻为181Ω,产电性能最优.电极表面积为75cm²时,MFC的开路电压470mV,是电极表面积为50cm²的MFC的1.1倍,是电极表面积为30cm²的MFC的2.1倍.当A_An/A_cat=0.4时MFC产能最佳,MFC的开路电压最高为600mV,最大功率密度48.2mW/m².     

甲醛的电化学检测方法研究

甲醛是一种电活性不活泼的有机物质,其很难在电极表面直接电催化氧化,所以利用复合纳米材料对甲醛的催化作用,将复合纳米材料修饰在玻碳电极表面制成修饰电极,进而利用修饰电极对甲醛的电催化活性,从而建立甲醛的电化学检测分析方法。以玻碳电极为基础电极,将氧化石墨烯用滴涂法滴涂于基础电极表面,再在饱和的氯化钾溶液中还原,随后采用电沉积法将纳米铂粒子沉积于还原的氧化石墨烯表面,制备出纳米铂/石墨烯复合电极,依据甲醛在电极表面反应时,产生了电流的改变,甲醛的浓度与产生的氧化电流成线性关系,从而建立了甲醛的电化学分析方法,并对其条件优化进行了探究。     

石墨烯类材料修饰尿液微生物燃料电池阳极的研究

尿液微生物燃料电池（urine-powered microbial fuel cell,UMFC）能够将尿液中有机物的化学能转化为电能,阳极是影响其产能的关键因素。黑磷（BP）、膨胀石墨（EG）和羧基化石墨烯（COOH-GN）是三种典型的石墨烯类新型材料,分别用这三种材料对阳极碳布进行修饰处理得到了三种电极（BP/CC、EG/CC和COOH-GN/CC）。修饰后的电极表面明显变粗糙,且碳布阳极阻抗均有一定程度的减小。分别以BP/CC、EG/CC和COOH-GN/CC三种电极为阳极运行UMFC,获得的最大电压分别为587.71,512.46和492.49 mV,最大功率密度分别为5254.43,3925.44和3252.05 mW/m³,BP/CC阳极UMFC的性能最好。     

模板法制备多孔碳修饰微生物燃料电池阳极的研究

以MCM-22分子筛为模板、蔗糖为碳前驱体、镍离子为催化剂,将无定型碳转化成多孔碳材料(PC),采用SEM测试、BET测试对其表面形貌及比表面积进行表征,采用EIS测试和CV测试对其修饰电极进行电化学性能表征,并将其修饰电极装配于微生物燃料电池(MFC)中运行,对MFC进行性能分析和COD去除率分析。SEM测试显示PC结构呈碎片化片状结构,BET测试其比表面积为578.66 m~2·g~(-1)。EIS测试显示,PC修饰碳布(PC-CC)的活化阻抗较小,仅为2.6Ω,CV测试中PC-CC也出现了较弱的氧化还原峰。与以未修饰的空白碳布为阳极的MFC相比,以PC-CC为阳极的MFC的COD去除率和最大功率密度均有提高。表明PC作为阳极修饰材料能够有效提升MFC性能,其简易的制作流程为大规模制备MFC阳极提供了可能。     

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 kW,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。     

Cu2O/rGO复合材料修饰阴极强化MFC产电脱氮性能及其机理

微生物燃料电池(MFC)在处理含硝酸盐(NO_3^--N)废水时具有同时产电和脱氮的潜力,寻找成本低且改善其产电脱氮性能的阴极修饰材料是MFC在含氮废水处理领域应用的关键。氧化亚铜/还原氧化石墨烯(Cu₂O/rGO)复合材料具有良好的电化学性能,在替代铂基材料提高MFC性能方面具有一定的应用前景。本研究通过还原法制备了Cu₂O/rGO复合材料,并对材料的结构和氧还原性能进行表征；同时,将其负载于阴极碳布后分析其电化学性能,并通过MFC的输出电压、功率密度和NO_3^--N的去除率探究Cu₂O/rGO阴极对MFC产电和脱氮性能的强化作用；通过对反硝化相关酶活性和胞外聚合物的测定,探究Cu₂O/rGO阴极强化MFC性能的机理。结果表明：Cu₂O/rGO复合材料具有大量的介孔结构,能够为电子传递提供更多的通道,并且Cu₂O/rGO复合材料具有良好的氧化还原可逆性；与Pt/C阴极相比,Cu₂O/rGO阴极的交换电流密度升高33.53%,电子转移阻力降低65.53%；Cu₂O/rGO-MFC在处理NO_3^-N废水时获得的最大平均输出电压(662.54 mV)、最大功率密度(26.27 mW/cm^₂)、平均库伦效率(32.02%)和NO_3^--N去除速率(83.33 mg NO_3^--N L/h)均高于Pt/C-MFC(485.33 mV,16.98 mW/cm^₂,7.38%,41.67 mg NO_3^--N L/h)；Cu₂O/rGO复合材料通过提高MFC阴极反硝化关键酶活性和类蛋白组分含量,改善了MFC的产电和脱氮性能。     

A novel layer-by-layer self-assembled carbon nanotube-based anode: Preparation, characterization, and application in microbial fuel cell

To exploit the outstanding ability of carbon nanotubes to facilitate electron transfer in a microbial fuel cell (MFC) system, multi-wall carbon nanotube (MWNT) and polyeletrolyte polyethyleneimine (PEI) were employed to modify carbon paper (TP) electrode utilizing a layer-by-layer (LBL) assemble technique for the first time, and the performance of the modified electrode as an anode in MFC was investigated. This modification strategy ensured a relatively high content of MWNTs within the polymer matrix. IR and cyclic voltammetry (CV) demonstrated the uniform formation of a polyethyleneimine/MWNT multilayer composite on the TP surface. The SEM profiles presented a three-dimensional MWNTs interwoven network surface structure with a large accessible surface area. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements confirmed that the existence of polyelectrolyte/MWNT multilayers decreased the interfacial charge transfer resistance from 1163 to 258 Ω. With the modified anode, the MFC produced a higher power density with 20% enhancement comparing to the bare TP anode. The MWNT-based LBL self-assembled electrode is promising for the electricity production by MFC.     

Fuel cell power generation from marine sediments: Investigation of cathode materials

BACKGROUND: Marine sediment microbial fuel cells (MFC) utilise oxidisable carbon compounds and other components present in sediments on ocean floors and similar environments to produce power in conjunction with, principally, oxygen reduction at the cathode in the overlying water. The aim of the work was to investigate a range of cathode materials for sediment MFC, to achieve relatively high levels of power. RESULTS: Cell potential and power density performance data are reported for sediment MFC using cathodes of: carbon sponge, cloth and paper, graphite and reticulated vitreous carbon (RVC), Co and Fe‐Co tetramethoxyphenyl porphyrin (FeCoTMPP) and platinised carbon and titanium. The anode was graphite cloth. After a period of stabilisation, open circuit voltages of 700 mV and maximum power densities of 62 mW m^?2 were obtained, using FeCoTMPP. Relatively low cost carbon cathodes gave power densities of around 30 mW m^?2. CONCLUSIONS: The study has shown that low level power can be produced from marine sediments using MFC without separators between the fuel and seawater containing dissolved oxygen. Cathode performance was an important factor determining the power output. Electrocatalyst at the cathode improved performance: FeCoTMMP gave power densities of 60 mW m^?2 which was twice that achieved with the best un‐modified carbon. Copyright © 2008 Society of Chemical Industry     

化学氧化改性微生物燃料电池阳极

浓HNO₃和酸性K₂Cr₂O₇都具有一定的氧化性,分别利用浓HNO₃和酸性K₂Cr₂O₇对阳极碳布进行氧化改性处理。通过红外光谱测试显示,碳布表面附着了羟基(-OH)和羧基(-COOH)。通过扫描电镜观察,碳布经过氧化改性后表面明显变粗糙。同时,循环伏安曲线(CV)和交流阻抗曲线(EIS)测试表明,经过改性后的碳布具有良好的电化学特性。分别以经过浓HNO₃和酸性K₂Cr₂O₇改性处理后的碳布作为微生物燃料电池(MFC)的阳极,获得的最大功率密度分别为291.11 mW·m^-2和438.08 mW·m^-2,比未经过改性处理的碳布阳极的功率密度分别提升了21%和82%。     

3D打印微生物燃料电池阳极及其性能特性

微生物燃料电池是一种处理废水同时产生电能的新型装置,阳极作为微生物燃料电池的重要组件极大地影响电池性能。针对微生物燃料电池传统三维电极结构不合理导致电极内部物质传输受限,电池功率密度较低的问题,本文采用3D打印技术并碳化的方式构建了结构可控的微生物燃料电池阳极,通过热重分析得到合适的碳化条件,并通过进一步的电化学分析和电极微观形貌拍摄研究了电极内部孔道结构对微生物生长情况和电池性能的影响。实验结果表明：电极孔径尺寸为0.4mm时,电池具有最优性能,其最大功率密度达12.85W/m²,比采用碳布阳极的MFC提升10倍,较采用碳毡阳极的燃料电池高38%;具有可控孔道结构电极的传荷阻抗和传质阻抗是限制电极性能的主要因素,通过优化孔道尺寸和结构分布可降低其传荷及传质阻抗,可以进一步提升电池性能。