碳纖維陰極及金屬陽(yáng)極在海底沉積型燃料電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著能源短缺和環(huán)境污染這些問(wèn)題的不斷呈現(xiàn)，研發(fā)新型能源技術(shù)成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。微生物燃料電池（microbial fuel cell, MFC）是利用微生物分解有機(jī)物獲得電能的新方法，也是凈化廢水最簡(jiǎn)單易行的方法，近幾年來(lái)微生物燃料電池的研究得到了比較快速的發(fā)展，但離實(shí)際應(yīng)用仍然有一定距離。
　　MFC中有可能在短期內(nèi)投入實(shí)際應(yīng)用的是海底沉積型微生物燃料電池(benthic microbial fuel cell, BMF

2、C)，它是通過(guò)微生物分解海泥中的有機(jī)物進(jìn)行產(chǎn)電的裝置。由于其原料來(lái)源豐富、構(gòu)型簡(jiǎn)單、產(chǎn)電效率高受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注，如何進(jìn)一步提高其產(chǎn)電效率使之實(shí)海應(yīng)用成為目前的研究重點(diǎn)。本文分別研究了BMFC的陰極和陽(yáng)極來(lái)提高其功率密度，主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下：
　?。?）BMFC的電極性能受比表面積的影響較大，目前陰極材料通常采用聚丙烯腈基碳纖維（CF-P），而黏膠基碳纖維（CF-R）的比表面積相對(duì)較大，強(qiáng)度較弱。本文對(duì)這兩種碳纖維進(jìn)行

3、熱處理得到改性碳纖維（CF-P-H和CF-R-H），并對(duì)比了CF-P、CF-R、CF-P-H和CF-R-H作BMFC陰極時(shí)電池的性能。結(jié)果表明：CF-R-H的比表面積最大，達(dá)到644 m2·g-1，且其作為陰極時(shí)的抗極化能力較其他三種陰極更強(qiáng)，電池的輸出功率密度也最大，達(dá)到112.4 mW·m-2，分析原因是熱處理過(guò)程使碳纖維比表面積增大，并在其表面形成醌類(lèi)化合物，兩者的協(xié)同作用共同增強(qiáng)了陰極氧氣的還原速率，從而提高電池性能。
　

4、?。?）BMFC實(shí)海應(yīng)用時(shí)陰極漂浮在海水中，海洋中的藻類(lèi)會(huì)附著在表面降低其性能，為避免這一現(xiàn)象，本文采用聚四氟乙烯（P TF E）對(duì)碳纖維陰極進(jìn)行疏水改性。結(jié)果表明：經(jīng)PTF E改性后，碳纖維的接觸角增大，疏水性增強(qiáng)，且疏水性隨著PTFE乳液濃度的增加而增強(qiáng)，疏水性增強(qiáng)直接使生物附著量減少，15％、30%、45%濃度的P TFE改性后的碳纖維作為BMFC陰極時(shí)電池輸出功率密度有所下降，這是由于PTF E是絕緣性物質(zhì)，當(dāng)其包覆在碳纖維表面

5、時(shí)會(huì)使電極的電阻增大，60%的PTF E改性后的碳纖維作為陰極時(shí)電池的輸出功率密度較空白組有所提升，分析原因是PTF E在電極表面形成了氣體擴(kuò)散層，有利于氧氣和水進(jìn)入到電極上，增強(qiáng)了陰極性能。
　　（3）BMFC陽(yáng)極方面，本文采用金屬鎂、鋁作為陽(yáng)極來(lái)提高輸出功率密度，并對(duì)比了金屬作陽(yáng)極時(shí)海泥電池和海水電池的性能。結(jié)果表明：海泥電池的輸出功率密度略低于海水電池，但是金屬陽(yáng)極在海泥電池中的腐蝕速率低于在海水電池中，用鎂作陽(yáng)極的電池電壓