生物燃料电池处理生活污水同步产电特性研究

以某生活污水处理厂缺氧池活性污泥为接种体,以葡萄糖为模拟生活废水,构建双室型微生物燃料电池。利用微生物燃料电池(MFC,Microbial fuel cell)实现生活废水降解与同步产电。研究基质降解动力学及温度对MFC电极过程动力学的影响,明确微生物电化学活性、阳极传荷阻抗、阳极电势、电池产能之间的关系,考察库伦效率及COD去除率。研究结果表明,电池功率输出与基质浓度关系遵循莫顿动力学方程:P=Pmaxc/(ks+c),其中,半饱和常数ks为138.5 mg/L,最大功率密度Pmax为320.2 mW/m2。葡萄糖浓度较小时,反应遵循一级动力学规律:-dcA/dt=kcA,k=0.262 h-1。操作温度从20℃提高到35℃,生物膜电化学活性不断提高,传荷阻抗从361.2Ω减小到36.2Ω,阳极电极电势不断降低,同时,峰值功率密度从80.6 mW/m2提高到183.3 mW/m2。45℃时,产电菌活性降低,峰值功率密度减小到36.8 mW/m2。葡萄糖浓度为1 500 mg/L,温度为35℃时,MFC电化学性能最佳,稳定运行6 h后库伦效率为44.6%,COD去除率为49.2%。     

微生物阳极燃料电池极性反转现象研究

本文在构建出微生物阳极燃料电池系统的基础上,研究了微生物燃料电池极性反转现象. 实验表明,由活性污泥混合菌源接种的微生物阳极在电极表面形成电化学生物膜,但平行构建的微生物阳极燃料电池系统在内阻、输出电压和放电时长等方面存在着不同程度差异. 在串联微生物燃料电池组中,放电操作会导致性能较差的微生物单电池首先出现极性反转. 电极电势测量表明,较高的放电电流使微生物阳极电势迅速正移,导致电池系统出现极性反转. 在室温范围内,温度升高可使MFC承受较高的放电电流,不易发生极化. 燃料物质缺乏时,MFC易发生极性反转,但过高的电流仍能使燃料物质充分的MFC出现极性反转. MFC极性反转会对微生物阳极性能造成影响. 极性反转时间较短(<5 min),对微生物阳极影响不大,但延长极性反转时间,会导致微生物阳极性能下降.     

硫酸亚铁对化学沉积钴-铁-磷合金中的影响(英文)

在以次亚磷酸钠为还原剂、硼酸为缓冲剂和柠檬酸钠为络合剂的碱性介质中,化学沉积钴 铁 磷合金和钴 磷合金.研究了沉积工艺,如pH值和主盐CoSO4/FeSO4的摩尔比对沉积速率的影响.发现镀液中的硫酸亚铁对钴 铁 磷合金沉积有阻碍作用,以致其沉积速率比钴 磷的低.电化学极化实验表明,硫酸亚铁既影响阳极过程又影响阴极过程,它降低了两者的极化电流和极化电势.电化学实验结果与沉积速度测量结果基本相符.     

不锈钢网阴极微生物燃料电池的产电性能研究

构建了一个以曝气池污泥为阳极接种微生物、碳毡为阳极、无任何修饰的不锈钢网为阴极的双室微生物燃料电池. 通过输出电压、功率密度以及电化学阻抗等考察了阴极面积对电池产电性能的影响,并对电池的长期运行稳定性进行评价. 研究结果表明,不锈钢网作为微生物燃料电池的阴极性能稳定. 当不锈钢网面积为2 × 2 cm²时,最大输出电压达到0.411 V,功率密度为0.303 W•m^-2,内阻841 Ω,极化内阻80 Ω. 增大阴极面积至2 × 4 cm²,最大输出电压能达到0.499 V,内阻减小至793 Ω. 不锈钢网价格便宜,具有长期运行稳定性,适宜做MFCs的阴极.     

纳米Fe3O4含量对微生物燃料电池性能的影响

以不锈钢网为集流体,采用辊压工艺制备了Fe3O4质量分数分别为0%、2.5%、5.0%和7.5%的不锈钢网、活性炭粉和Fe3O4构成的复合阳极AcM、AcFeM1、AcFeM2和AcFeM3,研究了Fe3O4含量对单室无膜空气阴极微生物燃料电池(MFC)产电性能的影响,并通过塔菲尔曲线和阳极充电-放电测试研究了不同Fe3O4含量的阳极的电化学行为。结果表明,阳极Fe3O4质量分数由0%增加至2.5%、5.0%时,MFCs的最大输出功率和净电容电荷由AcM阳极的664 mW/m2和293.9 C分别上升至AcFeM1、AcFeM2电极的731 mW/m2和300.4 C、809 mW/m2和388.5 C,当Fe3O4含量继续增加至7.5%时,MFCs的产电效率和净电容电荷均减小,Fe3O4质量分数在5.0%时,MFCs性能最佳;电化学测试进一步说明Fe3O4质量分数在5.0%时,MFCs阳极的动力学活性最好。     

氢氧化钠水溶液体系中金属铬的电化学氧化过程

铬铁电氧化溶出技术是一种全新的制备铬酸钠的方法,具有反应条件温和、过程可控、工艺环保等优点,然而金属铬在NaOH水溶液中的电化学氧化过程尚不明确. 本文采用循环伏安法（CV）和阳极极化法（LSV）对金属铬在NaOH水溶液中的电化学氧化过程进行研究. 使用EDS、SEM、XRD和XPS对电解前后的金属铬表征,判断中间物的产生,使用紫外可见分光光度计验证电解液中生成了铬酸钠. 结果表明,金属铬和中间产物Cr(OH)₃可能依次发生电化学氧化直接生成Na₂CrO₄,阳极极化为金属铬的活化. 随着NaOH溶液浓度的增加,Cr(OH)₃和Na₂CrO₄的生成量在增加,金属铬电化学氧化制备铬酸钠的适宜条件为碱浓度≥ 2 mol·L^-1,阳极电势≥ 1.6 V（vs. SCE）.     

阳极电势对Geobacter sulfurreducens产电性能的影响

以产电模式菌Geobacter sulfurreducens为研究对象接种两瓶型微生物燃料电池(MFC)阳极室, 利用恒电位仪控制阳极电势, 考察了7种电势条件下MFC的启动期、最大功率密度和阳极生物量的变化情况. 研究结果表明, 当阳极电势为-250, -100和50 mV(vs. SCE)时, MFC启动较快, CV曲线和极化曲线表明, 在这3种电势条件下, MFC产电性能增强, 其中阳极电势为-100 mV时, MFC最大功率密度为1.67 W/m³, 比固定外阻条件下启动的MFC最大功率密度提高了5倍. 控制合适的阳极电势可以使阳极生物量提高2.5~3倍.     

空气阴极生物燃料电池电化学性能

为提高生物燃料电池(MFC)的输出功率, 降低内阻和有机物处理成本, 实验以空气电极为阴极, 泡沫镍(铁)为阳极,葡萄糖模拟废水为基质构建了直接空气阴极单室生物燃料电池, 考察了电池的电化学性能. 结果表明, MFC的开路电压为0.62 V, 内阻为33.8 Ω, 最大输出功率为700 mW·m-2 (4146 mW·m-3污水), 电子回收率20%. 放电曲线、循环伏安测试表明, MFC首次放电比容量和比能量分别为263 mAh·g-1 COD(化学需氧量)和77.3 mWh·g-1 COD, MFC充放电性能及稳定性均较好. 电化学交流阻抗谱(EIS)分析表明, 随放电时间的延长, 电池阻抗增大, 这是导致电池输出电压逐渐降低的原因之一. MFC运行8 h, COD的去除率为56.5%, 且COD的降解符合表观一级反应动力学.     

利用钐掺杂氧化铈提高燃料电池阳极活性

用浸渍法制备并采用交流阻抗、极化等技术考察了不同组成的Ni-Sm3＋掺杂的CeO2(SDC) 复合镍阳极的电化学性能及相应电池的功率输出性能.结果表明，SDC掺入镍阳极后,阳极极化过电位及电池的欧姆电阻显著减小.其中阳极过电位的减小与SDC掺入镍电极引起的三相界扩展有关，但SDC的掺入同时引起了电极反应活化能的增加,造成低温下Ni-SDC的极化过电位大于纯Ni电极.高温下,Ni-SDC阳极的阻抗谱由两个半圆组成，其中高频半圆随着SDC掺入量的增加而减小,而低频环与SDC的掺入量基本无关.低温下只观察到一个高频环.高频环可能对应三相界反应,而低频环可能对应氢的解离吸附及扩散.75％（w）Ni-25％（w）SDC/La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3(LSGM)/Sm0.5Sr0.5CoO3(SSC)在所研究的电池中具有最大功率输出密度，其值在1073、973、873 K下分别达到1.1、0.43、0.14 W•cm－2.     

十二烷基苯磺酸掺杂聚吡咯在阳极-阴极交替极化下的防污性能

采用化学氧化聚合法合成了一系列十二烷基苯磺酸掺杂的聚吡咯(PPy-DBSA), 并研究了其电化学防污性能. 循环伏安(CV)曲线表明, PPy-DBSA在天然海水中具有良好的电化学活性和稳定性. 采用循环伏安扫描方法实现阳极极化和阴极极化交替进行, 并对极化后的PPy-DBSA电极进行了抑菌性能研究, 发现PPy-DBSA在循环伏安阳极-阴极交替(-1.0~2.0 V vs. SCE)极化下, 可成功抑制微生物(大肠杆菌)的附着, 其中在-0.6~0.8 V范围内循环伏安阳极-阴极交替极化20 min时防污效果最佳, 抑菌率可达99.8%, 明显优于恒电位阳极极化和恒电位阴极极化的结果.     

LSGMC5含量对于二甲醚燃料电池复合Ni-Fe阳极性能的影响

用浸渍法制备了掺杂不同质量分数的La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3-δ (LSGMC5)粉末的Ni8-Fe2-LSGMC5复合阳极, 并采用交流阻抗和直流极化技术考察了以氢气和二甲醚为燃气时该复合阳极的电化学性能及相应电池的功率输出特性. 结果表明, 在电极中掺入LSGMC5 粉末, 能显著地改善电极的形貌和电极/电解质界面结构, 减小欧姆电阻和极化电阻. 电极中LSGMC5 粉末含量对于氢气及二甲醚电化学氧化性能的影响显著不同. 以二甲醚为燃气时, 电极极化电阻随LSGMC5 粉末含量的增加而减小, 其中LSGMC5 掺杂量为30%的复合阳极具有最高的电化学性能, 相应电池在1073、1023、973 K 时的输出功率分别为1.00、0.61、0.40 W·cm-2; 以氢气为燃气时, LSGMC5 掺杂量为20%的复合阳极具有最好的电化学性能, 随着LSGMC5 掺杂量的进一步增加, 电极极化电阻显著增大.     

LaGaO3基固体氧化物燃料电池阳极材料Ce1-xTmxO2-δ（Tm=Cu,Mn,Fe）研究

以研究与Sr,Mg掺杂LaGaO3(LSGM)电解质匹配的阳极材料为出发点,系统研究了Ce1-xTmxO2-δ(Tm=Cu,Mn,Fe)固溶体的晶体结构、热化学稳定性、电化学性能和单电池发电实验。柠檬酸法合成的Ce1-xTmxO2-δ化合物在x<0.2时均为单相材料,与LSGM电解质有良好的热化学相容性。采用交流阻抗法研究了阳极材料的电化学性能,金属元素掺杂可以显著地改善CeO2电化学性能,Fe元素掺杂阳极材料极化电阻最小,随着元素掺杂量的增加以及氢气增湿,极化电阻减小。采用电解质支撑结构单电池进行发电实验,在800℃时,以Ce0.8Fe0.2O2-δ作为阳极的单电池最高功率密度可达98 mW.cm-2,表明该材料作为IT-SOFC的阳极材料具有一定的可行性,有望成为适合LSGM电解质的阳极材料。     

利用钐掺杂的氧化铈夹层提高燃料电池阳极的活性

考察了Ni-钐掺杂的氧化铈(Ni-SDC)复合阳极与La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3(LSGM)电解质中间加入的SDC 中间层对阳极及整个电池性能的影响.结果表明，SDC中间层的加入显著减小了阳极极化过电位，但同时引入了欧姆降，降低了电池的功率输出密度.氢在Ni-SDC电极的氧化主要由两个过程控制，分别对应于交流阻抗谱的两个阻抗半圆，高频环随着SDC中间层的加入显著减小，可能对应于H2在Ni-SDC/SDC/H2三相界的电化学氧化或氧从LSGM向SDC的传输，低频环与SDC中间层无关，可能对应于氢在电极表面的解离吸附及吸附物种的扩散过程.使用Ni-SDC/SDC夹层阳极可以明显地提高电池的稳定性.     

Soft carbon-coated bulk graphite for improved potassium ion storage

Potassium-ion batteries (PIBs) have attracted tremendous attention for large-scale energy storage fields based on abundant potassium resources. Graphite is a promising anode material for PIBs due to its low potassium ion intercalation voltage and mature industrialized preparation technology. However, the inability of graphitic structures to endure large volume change during charge/discharge cycles is a major limitation in their advancement for practical PIBs. Herein, a soft carbon-coated bulk graphite composite is synthesized using PTCDA as a carbon precursor. The PTCDA-derived soft carbon coating layer with large interlayer distance facilities fast potassium ion intercalation/extraction in the BG@C composite and buffers severe volume change during the charge/discharge cycles. When tested as anode for PIBs, the composite realizes enhanced rate capability (131.3 mAh/g at 2 C, 1 C = 279 mA/g) and cycling performance (capacity retention of 76.1% after 150 cycles at 0.5 C). In general, the surface modification route to engineer graphite anode could inherently improve the electrochemical performance without any structural alteration.     

Enhanced electricity production from microbial fuel cells with plasma-modified carbon paper anode

Microbial fuel cells (MFC) provide a new opportunity for simultaneous electricity generation and waste treatment. An improvement in the anode capacity of MFCs is essential for their scale-up and commercialization. In this work we demonstrate, for the first time, that plasma-based ion implantation could be used as an effective approach to modify carbon paper as an anode for MFC to improve its electricity-generating capacity. After the N(+) ion implantation, a decreased charge-transfer resistance is achieved, which is attributed to the increased C-N bonds after N(+) ion implantation. In addition, the surface roughness and hydrophobicity are also changed, which favor microbial adhesion on the anode surface. The cyclic voltammetry results show that both the electrochemical activity and the electron transfer are enhanced remarkably, leading to better MFC performance compared to the control. Such a plasma surface modification technique provides an effective way to modify the electrode for enhancing MFC performance for power generation.     

锂离子电池用纳米Sn/SnSb合金三维复合负极的制备及性能

采用多步电沉积法制备的三维多孔铜箔作为集流体、低温液相化学还原法制备的纳米Sn/SnSb 合金作为负极材料, 制备出一种新型三维多孔结构的纳米Sn/SnSb合金复合负极. 通过与普通负极电化学性能的对比实验发现, 这种新型三维复合负极具有如下优点: 三维多孔网络结构提高了负极活性材料与集流体之间的结合力, 使不含粘结剂电极的制备成为可能; 有效缓解了高容量负极活性材料在充放电过程中的体积膨胀, 提高了负极活性材料的循环性能, 当循环到第30周时, 普通负极剩余容量为初始容量的33%, 而三维复合负极剩余容量为初始容量的41%; 三维铜箔集流体的特殊结构为高容量负极活性材料提供了一个良好的导电环境, 使电极反应进行得更加完全, 从而获得了更高的电极比容量, 普通负极初始容量为480 mAh·g-1, 而三维复合负极达到了800 mAh·g-1. 纳米Sn/SnSb合金三维复合负极良好的电化学性能为锂离子电池负极结构的设计开发提供了新的思路.     

基于不同前驱体制备的硬碳负极材料的储锂性能

以聚丙烯腈、石油沥青和花生壳为前驱体,在1200℃下碳化制备三种不同的硬碳材料。通过扫描电子显微、X射线衍射、氮气吸附/脱附测试和拉曼光谱等方法探究不同前驱体所制备的硬碳材料的表面形貌和物相结构。通过恒流充放电测试考察了这三种硬碳负极材料的电化学性能。结果表明,花生壳基硬碳的初始放电比容量最高,但首圈库仑效率最低,石油沥青基硬碳的首圈库仑效率最高但是比容量最低,聚丙烯腈基硬碳具有较高的循环比容量和稳定性。     

Nanoporous gold electrode prepared from gold compact disk as the anode for the microbial fuel cell

The electrodes (anode and cathode) have an important role in the efficiency of a microbial fuel cell (MFC), as they can determine the rate of charge transfer in an electrochemical process. In this study, nanoporous gold electrode, prepared from commercially available gold-made compact disk, is utilized as the anode in a two-chamber MFC. The performance of nanoporous gold electrode in the MFC is compared with that of gold film, carbon felt and acid-heat-treated carbon felt electrodes which are usually employed as the anode in the MFCs. Electrochemical surface area of nanoporous gold electrode exhibits a 7.96-fold increase rather than gold film electrode. Scanning electron microscopy analysis also indicates the homogeneous biofilm is formed on the surface of nanoporous gold electrode, while the biofilm formed at the surface of acid-heat-treated carbon felt electrode shows rough structure. Electrochemical studies show although modifications applied on carbon felt electrodes improve its performance, nanoporous gold electrode, due to its structure and better electrochemical properties, acts more efficiently as the MFC’s anode. The maximum power density produced by nanoporous gold anode is 4.71 mW m^?2 at current density of 16.00 mA m^?2, while this value for acid-heat-treated carbon felt anode is 3.551 mW m^?2 at current density of 9.58 mA m^?2.     

Preparation and characterization of anode materials using expanded graphite/pitch composite for high-power Li-ion secondary batteries

Expanded graphite was prepared by the intercalation of natural graphite using ammonium peroxodisulfate as an oxidizing agent and a high purity of sulfuric acid as an intercalate. The amounts of oxidizing agent and intercalate were changed to determine the preparation conditions of expanded graphite as the anode material for high-power Li-ion batteries. The expanded graphite was tested as the anode material and further composited with the different amounts of petroleum pitch to improve the electrochemical properties. Although the expanded graphite anode showed the improved electrochemical properties such as initial reversible capacities of around 400 mAh/g and a charge capacity at 5 C-rate of 83 mAh/g as compared with those for the natural graphite anode of 378 and 19.4 mAh/g, respectively, it still had some weak points for a high-power anode material such as low initial efficiency and potential plateaus with the stage characteristic. The anode composites with high performance could be obtained by compositing the expanded graphite and the petroleum pitch at the ratio of 1:2, showing an improved initial efficiency of 78 % and decreased potential plateaus with 389 mAh/g of the initial reversible capacity.     

锌铋合金电极在溶胶电解液中的电化学行为

锌电极的自腐蚀速率, 持续放电下的阳极溶解速率和电极钝化的难易程度是碱性电池性能的重要电化学参数. 本文应用线性极化、恒流放电等电化学实验方法研究了电解液中添加Carbopol树脂以及电极中添加Bi对锌电极电化学行为的影响. 并应用金相显微镜和环境扫描电子显微镜(ESEM)对锌电极和锌铋合金电极浸蚀及放电后的形貌进行了表征. 结果表明: 电解液中添加适量的Carbopol树脂可明显提高电极的极化电阻, 显著降低电极的自腐蚀速率; 阳极的溶解电位出现不同程度的正移, 阳极过电位显著增大且大电流密度放电时较明显促进电极钝化. 锌电极中添加一定量的Bi对改善电极表面氧化物膜的沉积形貌和电极表面固液界面的传质条件, 减小电极的自腐蚀速率, 抑制电极自腐蚀等方面具有显著作用.