β-PbO阴极微生物燃料电池产电特性研究VIP

1、-范文最新推荐- -PbO2阴极微生物燃料电池产电特性研究 摘要采用电沉积法在石墨板基底上沉积生成PbO2薄膜电极，考察了电镀液配方及电镀温度对薄膜电极结构的影响，并利用XRD研究了电极的表面形貌。以此为阴极，采用碳布为阳极，构建双室微生物燃料电池，考察MFC的产电特性，并与同等形状的石墨板阴极电池组（空白试验）作对比。结果表明，电极表面主要成分为β-PbO2。β-PbO2薄膜电极功率密度优于空白试验电池组；β-PbO2为四方晶型，放电能力强，导电性好。10704关键词微生物燃料电池石墨基二氧化铅阴极 功率密度毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleInvesti

2、gation of the microbial fuel cell performance with β-PbO2cathodeAbstractElectro deposition method was used to generate PbO2 film electrodes deposited on the graphite plate substrate. The influence of the plating solution formulations and plating temperature on the structure of thin film electro

3、de was investigated. XRD was used to analyze the electrode surface morphology. A dual-chamber microbial fuel cell (MFC) was built with PbO2 thin film electrode as cathode and carbon cloth as anode. The producing electrical characteristic of the MFC was studied and compared with a same shape of the g

4、raphite plate cathode battery pack (blank test). The results showed that the main component of the electrode surface is β-PbO2. β-PbO2 thin film electrode has power density than the blank test battery pack. β-PbO2 has tetragonal crystal form, strong discharge capacity and good conduct

5、ivity.Keywordsmicrobial fuel cellgraphite-based lead dioxidecathodepower density目录1 引言11.1燃料电池技术21.1.1燃料电池简介21.1.2 生物燃料电池简介4 电能作为目前应用最广泛的一种能源，被广泛应用在动力、照明、冶金、化学、纺织、通信、广播等各个领域，是科学技术发展、国民经济飞跃的主要动力。它的短缺所导致的后果不论是对民生还是对经济、政治等方面都将是不堪设想。2007年夏天出现的“电荒”现象，不仅我国的19个省市遭遇了拉闸限电，就连发达的美国和加拿大也出现了大面积停电。而我国

6、大陆的十几个省市在07年入冬以后，又频频响起电荒的警报，电能危机可谓是四面楚歌。如今“电荒”这个字眼不仅使得普通百姓对于供电、节电比平时多了一分关注，也使不少企业认为从2007年开始，随着经济的发展，已经进入了企业用电的“电荒”时代。这使得各个行业在较短时间内实现电力节能显得越来越必要与紧迫1。随着“电荒”现象的日益严重，关于“电荒”的各种讨论、分析在各大媒体上也是此起彼伏，人们纷纷为怎样解决“电荒”问题而献技献策，在诸多言论中，对分析为何会出现“电荒&rdquo

7、;这个问题时无外乎有两种最主要的观点：一是开源，二是节流，那么开源与节流到底孰轻孰重，究竟哪一个才能从根本上解决日益严峻的“电荒”现象呢?在我国，目前主要倡导的就是“节流”。通过全社会的力量，改变传统的用电方式、用电意识、采用全新的节电设备等手段都将对“电荒”想象产生有效的缓解。但是，这并不是一个长久之计，“电荒”的主要原因是资源不足，也就是说，目前我国的能源已经不足以支持我国目前的高速发展状态。当传统的能源已经不能继续支持社会的进步，同时，风能、潮汐能、核聚变等新能源技术还遥不可及这一青黄不接的局

8、面摆在眼前的时候，“开源”已经是不二之选。这样的情况不仅仅只在我国存在，这己经成为全世界将要面临的一次重大考验1。 氢-氧燃料电池：反映的是电解水的逆过程。电极： 负极：H2+2OH-→2H2O+2e-（1）正极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-（2）电池反应：H2+1/2O2=H2O（3）燃料电池技术领域跨度大，其内容涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：（1）能量转化效率高它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循

9、环的限制。目前燃料电池系统的燃料→电能转化效率在4560，而火力发电和核电的效率大约在3040。（2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动 。（3）燃料适用范围广。（4）积木化强规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。（5）负荷响应快，运行质量高燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少

10、了输变线路投资和线路损失。 利用微生物来产生电能的技术，也在日新月异的发展。英国的植物学家马克•皮特在1910年首先发现有机物中细菌的培养也能够产生电流，于是，他以铂作为电极，放进大肠杆菌或者普通酵母菌的培养液里，成功地制造了世界上第一个细菌电池。从此开始，利用微生物来产生电能的研究拉开了序幕。1984年，美国设计出一种供遨游太空使用的细菌电池，其电极的活性物质是宇航员的尿液和活细菌，不过放电率极低，直到本世纪80年代末，英国化学家彼得•彭托在细菌发电研究方面采取得了重大进展。他让细菌在电池组里分解电子，电流能持续数月之久，此后，各种细菌电池相继问世。90年代初，我国也开始

11、了生物燃料电池的研究2。从燃料电池的定义来看，生物燃料电池也是燃料电池的一种，但是，生物燃料电池具有其自身的特殊性。它是利用微生物作为反应主体，利用微生物的代谢产物作为物理电极的活性物质，引起物理电极的电位偏移，增加了电位差，从而获得电能的装置，即将燃料的化学能直接转变为电能3。生物燃料电池与传统的燃料电池在工作原理上面有许多相似的地方，以葡萄糖作为燃料电池的反应主体，葡萄糖分子在阳极失去电子被氧化，溶液中的氧气分子在阴极得到电子被还原，这样便在阴阳两极中形成了电流通路，其阴阳两极的电化学反应式如下:阳极:C6H1206+6H2O→24H+24e-+6CO2E0=0.014V（1）阴

12、极:6O2+24e-+24H+→12H2OE0=1.23V（2）生物燃料电池不仅具有普通燃料电池效率高，无污染等优点，还有一些独特的优点2: 图1.1 微生物燃料电池工作原理示意图1.2.2 电极材料（1） 阳极微生物燃料电池的阳极起着双重作用：提供微生物生长附着的场所和接受并传递微生物产生的电子。对 MFC 阳极的研究主要集中于阳极材料，其中研究的较多的是以碳为基质的材料，包括石墨板(棒)、碳纸、碳布、碳毡和石墨类填充材料等12，也有使用不锈钢丝网作为阳极材料13。对于阳极而言，附着生长的微生物的量决定了 MFC 产电能力和电池内阻的大小，这主要由以下两个因素12决定。阳极表面粗糙

13、度：粗糙的阳极表面更有利于微生物的附着，但这种因素仅限于微生物生长初期，当生物膜形成后这一因素的影响逐渐减弱。阳极材料的孔隙率和空隙大小：多孔材料易使阳极液穿过电极，减小电极附近的传质阻力，大孔隙材料还可以为微生物提供更多的附着场所。石墨板（棒）、碳纸、碳布、碳毡材料的比表面积和孔隙率依次增大，而石墨填充类材料主要为颗粒状填充于整个阳极室内，更加增大了反应面积和空间，充分利用了溶液中微生物产电能力。不锈钢丝网的运用则出于实际工程经济性和便于得到而考虑。（2） 阴极微生物燃料电池的阴极在e-和电子受体的结合过程中起催化作用。以氧气作阴极电子受体为例：由于氧在阴极溶液中还原的速率极低，因此，通过导

14、线传递而来的e-和通过离子交换膜和缓冲液传递而来的H+只有在阴极的催化作用下才能与O2结合生成水。在传统的燃料电池和微生物燃料电池的研究与应用中，非生物阴极作为主要研究对象。在非生物阴极中，氧气是最终的电子受体。但碳电极或石墨电极等表面的氧还原速率较低，通常需要加入电极催化剂或电子介体来提高速率。常见的非生物阴极有铂电极、过渡金属、铁氰化物等。 近年来，有研究表明20，CoTMPP 阴极能够产生和 Pt 催化剂相当的能量密度。Cheng 论证了CoTMPP 催化阴极（0.6 mg CoTMPP•cm-2）能够产生相当于 Pt 催化电极（0.5 mgPt•cm-2）88%的能

15、量。但是没有进行经济分析。PbO2电极具有良好的导电性能和化学惰性，而且对强酸有较高的稳定性，在电化学中有广泛应用。早期的二氧化铅电极直接以铅为阳极氧化而成，但这种电极力学强度差，不适宜工业应用。Morris 等人研究得出：β-PbO2也可以作为 MFC 阴极材料，并且，相对用 Pt 而言，使用β-PbO2阴极的 MFC能够产生 1.7 倍的能量并且每单位能量成本几乎是使用 Pt 电极的一半。目前常将PbO2电沉积在导电基体钛、铂、石墨或陶瓷上。利用金属作基体采用涂膏烧结法的共同缺点就是基体易钝化，导致电极内应力急剧上升，结合力降低而使镀层易脱落，虽然采用加入底层或中间层的方法可以进行抑制，但这增加了工艺的复杂性和制作成本，并且不能从根本上解决问题。因此，仍然有必要探索新的二氧化铅制备方法。1.2.3 课题研究内容本次实验以双室微生物燃料电池为研究对象，通过电沉积法在石墨板上电镀PbO