氮化碳与石墨烯改性的高导电阳极材料在微生物燃料电池中的应用研究
能源和环境是我们生产生活中不可或缺的重要元素，也是维持可持续发展不断前进的原动力。虽然化石能源产能效率高，但使用过程中会有一些温室气体形成，同时毫无底线的开采和耗用正在使其逐渐枯竭。微生物燃料电池(MFC)在分解水中的有机物的同时能够产生电力。是一种非常有前景的废旧资源清洁能源化新技术。MFC的研究发展已有20余年，由于其产电效率低、制造成本高、影响因素多等原因，至今没有投入规模化应用。其中MFC的阳极是微生物生长繁殖的场所，也是转移质子和电子的地方，对MFC产电性能和成本影响较大，本文将主要进行高导电材料及其改性阳极对MFC产电性能的影响研究。 碳刷经常作为一种性能优良的阳极被广泛使用，通常采用导电性较差的聚丙烯腈基碳纤维，本课题采用了导电性能更佳的中间相沥青基碳纤维(MPCF)制备MFC的碳刷阳极。由于未经处理的MPCF表面惰性较强且较为光滑，微生物附着能力较差。本文中我们采用了氮化碳(g-C3N4)和石墨烯对碳刷进行表面改性，以提升阳极生物相容性。结果表明，采用氮化碳改性碳刷阳极的MFC性能最佳，最大功率密度可达800.8mW/m2。通过SEM、BET、XPS等表征可知通过g-C3N4修饰能够改善碳纤维表面的生物相容性，提升材料表面的粗糙度，增大材料的比表面积，材料表面的含N官能团变多，吡啶-N可以提高阳极材料表面碱度和微生物的附着力，石墨-N可以促进内部电阻的降低，可以吸引更多微生物附着来改善MFC的发电性能。然而掺杂石墨烯后的MFC性能却有所下滑，可能是由于石墨烯具有生物毒性，锋利边缘划破微生物细胞膜使细菌死亡，生物相容性变差，从而电池性能不佳。 由于碳刷中的碳纤维紧密有序的排列使碳刷阳极的电子传输线路顺畅高效，但碳刷靠近中心部分大约直径一半以上的碳纤维簇拥在一起，空间过于狭窄，微生物难以进入，使碳刷的有效工作面积减小，利用率较低。再加上碳纤维成本较高、碳刷阳极构型的MFC难以放大等原因，开发一种便宜的高导电3D构型阳极材料对MFC的发展具有重要意义。本课题采用了3D构型泡沫镍以及泡沫镍和石墨化中间相沥青基碳泡沫的改性材料作为MFC的阳极展开探究。3D阳极结构均匀，具有大比表面积，材料的有效工作面积大大提升。石墨化中间相沥青基碳泡沫抗腐蚀性强，但表面较光滑;泡沫镍具备高导电特性，但在水中易腐蚀。泡沫镍与碳质阳极相比成本低廉，有助于大大降低MFCs制造成本，因此泡沫镍阳极的开发对MFCs推广应用有着重要意义。本文对泡沫镍表面进行石墨烯修饰以提升抗腐蚀性，并作为MFC阳极研究了其产电性能。获得的主要结果如下: 在泡沫镍阳极(NF)、经石墨烯水凝胶修饰的泡沫镍阳极(rGO-NF)和碳泡沫阳极(rGO-CF)以及氮化碳修饰的泡沫镍阳极(CN-NF)四种3D材料中，rGO-NF具有最为优异的电化学性能，获得了909.3mW/m2的最大功率密度，是NF电极的1.6倍。为进一步提升泡沫镍电极的抗腐蚀性能，本研究使用石墨烯抗腐蚀导电涂料对泡沫镍表面进行处理，并在700℃、1000℃、1300℃温度下高温碳化，对比电池性能。经1000℃高温处理的MFC具有550mV的稳定输出电压和747.7mW/m2的最大功率密度，性能最为优异。通过扫描电子显微镜观察，涂覆石墨烯涂料的材料表面的腐蚀情况得到缓解，但经高温处理后，涂料表面结构被破坏，抗腐蚀表现并不理想。用涂料进行金属阳极的表面修饰是可行的，但应在抗腐蚀和产电性能之间寻求一个平衡点。 上述研究验证了氮化碳在MFCs阳极改性中的优良性能，同时探究了金属3D阳极的应用及改性。泡沫镍阳极的抗腐蚀处理取得了初步结果，为低成本金属材料在MFCs中的应用奠定了基础。
微生物燃料电池;氮化碳;泡沫镍;改性处理;生物相容性
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
马兆昆
2021
中文
TM911.4
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）