不同阳极材料的微生物燃料电池产电性能的研究

1、不同阳极材料的微生物不同阳极材料的微生物 燃料电池产电燃料电池产电 性能的研究性能的研究 论文中心环节论文中心环节 课题背景课题背景 课题内容课题内容 实验过程实验过程 实验结论实验结论 1 2 3 4 课题背景课题背景 众所周知，人类的生活离不开衣食住行，能源众所周知，人类的生活离不开衣食住行，能源 的作用于人类无疑是鱼和水的关系。能源是人类生的作用于人类无疑是鱼和水的关系。能源是人类生 存的基本要素之一。近几十年来，对化石燃料特别存的基本要素之一。近几十年来，对化石燃料特别 是煤炭和石油的过度使用，不仅导致了环境污染，是煤炭和石油的过度使用，不仅导致了环境污染， 更是引起了全球的能源危机。

2、可再生清洁能源的研更是引起了全球的能源危机。可再生清洁能源的研 发和推广使用已是刻不容缓的甚至是关系国计民生发和推广使用已是刻不容缓的甚至是关系国计民生 的大事。潮汐，地热，生物能，风能，水能，太阳的大事。潮汐，地热，生物能，风能，水能，太阳 能、等可再生能源的发现及研发将引发一场轰轰烈能、等可再生能源的发现及研发将引发一场轰轰烈 烈的能源革命。烈的能源革命。 课题内容课题内容 微生物燃料电池是一项新工艺，在节能减排上有广阔的 发展前景。微生物燃料电池（MFC）是利用阳极产电微生物 为催化剂降解有机物直接将化学能转化为电能的装置。本课 题介绍了MFC中阳极材料的相关研究进展，分析了不同阳极 材

3、料表面的阳极产电微生物、产电过程、产电机理和产电能 力的区别，为MFC阳极材料优化、产电微生物的富集、MFC 构型改造等组合提供思路，着重讨论了不同阳极材料对微生 物燃料电池的产电性能的影响，从中筛选出产电效率高的阳 极材料，推动微生物燃料电池相关研究的发展 实验过程：不同的碳材料实验过程：不同的碳材料 综合CO转化率、O2氧化选择性及温度区间等因素，可见浸渍法 制备催化剂具有最好的催化性能。 50100150200250300 0 20 40 60 80 100 Conversion of CO/% Temperatrue/ C DP IM CP 图图1 1 不同方法制备的催化剂的不同方法制

4、备的催化剂的COCO转化率转化率 DP：沉积沉淀法，IM ：浸渍法，CP：共沉淀法 50100150200250300 20 30 40 50 60 70 80 90 Selectivity of O2/% Temperature/ C DP IM CP 图图2 2 不同方法制备的催化剂的不同方法制备的催化剂的O O2 2氧化选择性氧化选择性 DP：沉积沉淀法，IM ：浸渍法，CP：共沉淀法 实验成果：不同制备方法实验成果：不同制备方法 三个样品的XRD图 中都产生了清晰的CeO2 特征峰，峰强度由大到 小依次为IM CP DP ，表明CeO2以较好的晶 型存在，且分布较均匀 。 三个样品的X

5、RD谱 图，均未出现CuO的衍 射峰，说明铜物种在 CeO2表面以高分散状态 或无定形状态存在。 0102030405060708090 Intensity 2theta(deg.) DP CP IM CeO2 -Al2O3 CuAl2O4 图图3 3 不同方法制备的催化剂的不同方法制备的催化剂的XRDXRD表征图表征图 DP：沉积沉淀法，IM ：共沉淀法，CP：浸渍法 实验成果：不同制备方法实验成果：不同制备方法 图图4 浸渍法制备的催化剂的浸渍法制备的催化剂的TPR表征图表征图 单纯CuO有一个还原峰，出现在390左右。此处CuO的还原 峰向低温区偏移，可能是因为CuO分散程度较高，与Ce

6、O2之间作用 较强烈所致。单纯CeO2会呈现两个还原峰，低温峰出现在500左 右，是去除CeO2表面覆盖的氧离子时所引起，高温峰出现在800 左右，是发生大量H2还原氧离子反应引起。此处500未出现明显 的还原峰，表明CeO2表面氧离子较少，860时出现了一个小峰， 表明CeO2物种中氧离子被还原。 270：CuO 860：CeO2 实验成果：不同实验成果：不同Cu负载量负载量 50100150200250 0 20 40 60 80 100 Conversion of CO/% Temperature/ C 2% Cu 5% Cu 10% Cu 50100150200250 20 30 40

7、 50 60 70 80 90 Selectivity of O2 / % Temperature / C 2% Cu 5% Cu 10% Cu 图图5 5 不同铜负载量的催化剂的不同铜负载量的催化剂的COCO转化率转化率图图6 6 不同铜负载量的催化剂的不同铜负载量的催化剂的O O2 2氧化选择氧化选择性性 综合可见5%Cu-10%Ce/-Al2O3的催化性能最好，具有较高的CO 转化率和O2氧化选择性，且温度重叠区较大。 实验成果：不同实验成果：不同Cu负载量负载量 三种催化剂中均未出现 CuO的特征峰，表明CuO均以高 分散或者非晶态存在。 10%含铜量的催化剂中， 没有明显的CeO2的

8、衍射峰，可 能是铜负载量的增加使得Ce与 Cu之间产生了相互的影响，使 得CeO2的峰减弱甚至消失。 三种催化剂中均出现了 CuAl2O4的衍射峰，表明有 CuAl2O4生成，尤其在10%试样 中，峰型更明显，表明随着铜量 的增加，发生固相反应生成 CuAl2O4的可能性增大。 0102030405060708090 Intensity 2theta(deg.) 10%Cu-10%Ce 5%Cu-10%Ce 2%Cu-10%Ce CeO2 Al2O3 CuAl2O4 图图7 7 不同不同CuCu比例的催化剂的比例的催化剂的XRDXRD表征结果表征结果 实验成果：不同实验成果：不同Cu负载量负载

9、量 由图中可以看出低 温还原峰对应的CuO还 原峰出现了另一峰包 （峰），表明该催化 剂样品中CuO存在两个 物种。1、2峰对应 CeO2的两个还原峰，表 明CeO2颗粒表面及颗粒 中氧离子较丰富。 0200400600800 0 10 20 30 40 50 60 70 5%Cu-10%Ce TemperatureTemperature/ 图图8 5%Cu8 5%Cu含量的催化剂的含量的催化剂的TPRTPR表征图表征图 Consumption of H2 实验成果：不同浸渍顺序实验成果：不同浸渍顺序 50100150200250 0 20 40 60 80 100 Temperature/C

10、 Conversation of CO/% A B C 50100150200250 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Temperature/C Conversation of CO/% A B C 图图9 9 不同浸渍顺序制得的催化剂的不同浸渍顺序制得的催化剂的COCO转化率转化率图图10 10 不同浸渍顺序制得的催化剂的不同浸渍顺序制得的催化剂的O O2 2氧化选择性氧化选择性 综合可见催化剂A和催化剂C都比催化剂B要优秀，而催化剂A和催 化剂C两者比较，相差不大，但后者相对较优。 A：Cu(NO3)2Ce(NO3)3溶液同时浸渍 B：先浸渍Ce(NO3)3

11、溶液再浸渍Cu(NO3)2溶液 C：先浸渍Cu(NO3)2溶液再浸渍Ce(NO3)3溶液 实验成果：不同浸渍顺序实验成果：不同浸渍顺序 三种催化剂都表现出了清 晰的CeO2的特征峰，表明三种 催化剂中的CeO2都有较好的结 晶效果，CeO2衍射峰的峰强由 大到小依次为CBA。 三种催化剂均未观察到 CuO的衍射峰，表明CuO都以 高分散的状态存在于CeO2与- Al2O3之间，与CeO2产生了较 佳的协同效应。 0102030405060708090 Intensity 2theta(deg.) C B A CeO2 Al2O3 图图11 不同浸渍顺序的催化剂的不同浸渍顺序的催化剂的XRD表征

12、图表征图 A：Cu(NO3)2Ce(NO3)3溶液同时浸渍 B：先浸渍Ce(NO3)3溶液再浸渍Cu(NO3)2溶液 C：先浸渍Cu(NO3)2溶液再浸渍Ce(NO3)3溶液 实验成果：不同浸渍顺序实验成果：不同浸渍顺序 C的低温CuO还原峰也 出现了两个峰包，表明其 中的CuO以两种形式存在 ，C的CuO峰的温度相对 于另外两催化剂最高，且 峰强介于另外两种催化剂 之间。 三者都在860以后出 现了CeO2的一个峰，但峰 强不尽相同。 02004006008001000 100 200 300 400 500 600 700 B A C Temperature/ 图图12 不同浸渍顺序制得的催化剂的不同浸渍顺序制得的催化剂的TPR表征图表征图 A：Cu(NO3)2 Ce(NO3)3溶液同时浸渍 B：先浸渍Ce(NO3)3溶液再浸渍Cu(NO3)2溶液 C：先浸渍