直接甲醇燃料电池催化活性层的优化

本文考察了直接甲醇燃料电池 (DMFC)不同催化剂载量的膜电极性能 .对催化剂层中Nafion含量进行优化 ,研究了Nafion含量对电池的阻抗的影响 .实验发现 :DMFC适宜的阳极Pt_Ru/C载量为Pt 4mg/cm2 、Nafion质量百分含量为 2 1.4 % ;高电流密度下 ,阴极Pt/C载量为Pt4mg/cm2 、Nafion质量百分含量为 2 1.4 %时 ,有较好的放电性能 ,继续增加Nafion含量 ,阴极的欧姆极化和浓差极化增大 ,电池性能下降     

电极面积对老龄垃圾渗滤液为底物的微生物燃料电池性能影响

构建生物阴极型双室微生物燃料电池,处理老龄垃圾渗滤液。研究了阳极与阴极面积比值对微生物燃料电池产电能力和对老龄垃圾渗滤液处理效果的影响。结果表明,阳极与阴极面积比为1:2、2:2、2:1的3组生物阴极型微生物燃料电池输出电压分别为408、452、396mV,最大电功率密度分别为145.73、237.65、136.50mW/m³,内阻分别为350、200、400Ω,COD的去除率分别为21.18%、20.20%、22.31%。3组微生物燃料电池运行30d后,垃圾渗滤液中氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮浓度均下降,其中,氨氮去除率分别为80.88%、73.61%和66.17%,其去除效果与产电性能相关。     

质子交换膜燃料电池Pt/C阴极氧还原动力学模拟

质子交换膜燃料电池的商业化应用迫切要求降低其Pt载量. 本文通过Pt/C氧还原电极的动力学模型计算,研究了Pt/C电极中的氧分布、生成电流以及满足实际应用的最小Pt载量. 结果表明：燃料电池Pt/C电极,阴极产生严重浓差极化的催化层厚度为40mm;功率密度达到1.4 W•cm^-2（2.1 A•cm^-2@0.67 V）的电池性能需要3mm左右的Pt/C阴极催化层,阴极Pt载量为0.122 mg•cm^-2,即可使膜电极的阴极铂用量低于0.087 g•kW^-1.     

质子交换膜燃料电池Pd修饰Pt/C催化剂的电催化性能

通过对Pt催化剂表面进行Pd修饰提高质子交换膜燃料电池阴极催化剂的氧还原反应(ORR)活性. 采用乙二醇还原法制备了不同比例的Pd修饰Pt/C催化剂. 透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)测试结果表明, 制备的催化剂贵金属颗粒粒径主要分布在1.75～2.50 nm之间, 并均匀地分散在碳载体表面. 循环伏安方法(CV)研究表明Pd修饰Pt/C催化剂的电化学活性面积低于传统的Pt/C催化剂. 但通过旋转圆盘电极(RDE)测试研究发现, 制备的催化剂具有比传统Pt/C催化剂高的ORR活性.     

阳极改性对单室微生物燃料电池性能的影响

构建了老龄垃圾渗滤液为底物的空气阴极型单室微生物燃料电池,以考察阳极不同改性方式对微生物燃料电池产电性能和对老龄垃圾渗滤液处理效果的影响。结果表明,碳毡阳极经过热处理、浓硝酸、酸性重铬酸钾、混酸的改性后,电池的最大输出功率密度分别提高了104%、241%、51%、181%,COD的去除率变化不大,但氨氮去除率分别增加了22.2%、21.8%、2.3%、47.3%。垃圾渗滤液pH值升高、电导率呈下降趋势。     

Ho~(3+)修饰的Pt/C电极对DMM的电催化氧化

通过循环伏安法(CV),计时电流法(CA)和线性扫描法(LSV)对二甲氧基甲烷的电氧化特性进行了研究.发现当用Ho3+修饰Pt/C催化剂电极后可以大幅度提高电极对DMM的电催化活性.热处理Ho3+修饰后Pt/C催化剂电极,可进一步提高该电极对DMM的电催化氧化活性.     

Pt纳米粒子修饰的多孔硅电极的制备及其电催化性能

通过循环伏安法电沉积使直径约为7 nm的Pt纳米粒子均匀地分散于多孔硅表面, 拟用作微型质子交换膜燃料电池的催化电极. 与刷涂法相比较, 电沉积Pt纳米粒子的多孔硅电极(Pt/Si)呈现出高的Pt利用率和增强的电催化活性. 当Pt载量为0.38 mg•cm−2时, 其电化学活性比表面积高达148 cm2•mg−1, 是刷涂相近质量的纳米Pt/C催化剂的多孔硅电极Pt-C/Si的2倍多；该修饰电极对甲醇氧化也呈现了增强的催化性能和好的稳定性, 在0.5 V(vs SCE)极化1 h后电流密度为4.52 mA•cm−2, 而刷涂了相近Pt量的Pt-C/Si电极的电流密度只有0.36 mA•cm−2.     

氮掺杂石墨烯的一步法低温合成及用作微生物燃料电池阴极催化剂的产电特性

利用爆炸法低温合成了氮掺杂石墨烯(NG),并通过高分辨透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、Raman光谱仪以及X射线衍射仪对其进行了表征.电化学性能检测结果表明,所合成的NG在中性磷酸盐电解液中具有优异的氧还原催化活性,完全能够与贵重金属铂催化剂(Pt/C)相媲美,氧还原催化稳定性甚至优于Pt/C.当NG用作微生物燃料电池(MFCs)的阴极氧还原催化剂时,在外阻为1000Ω情况下,MFCs的最大功率密度为1345 mW/m2,产电稳定性优于以Pt/C为阴极催化剂的MFCs,可以成为Pt催化剂的理想替代品.     

钴-聚吡咯-碳载Pt催化剂的制备及其单电池性能研究

采用脉冲微波辅助化学还原法制备了钴-聚吡咯-碳载Pt催化剂(Pt/Co-PPy-C),并将其作为阴极催化剂,组装单电池。考察了电池运行温度和氢气/空气计量比对单电池性能的影响,并与商业Pt/C催化剂进行了耐久性实验比较。 结果表明,运行温度为70 ℃,氢气与空气的计量比为1.2:2.5时单电池性能最佳。600 mA/cm²恒电流稳定运行150 h耐久性测试中,以Pt/Co-PPy-C为阴极催化剂的单电池平均电压衰退率为0.119 mV/h,是商业Pt/C催化剂的26%。耐久性测试前后,单电池的阴极电荷传递阻抗为7.176和8.767 Ω,均比商业Pt/C催化剂阻抗小;Pt颗粒粒径从2.46 nm增长到3.18 nm,均小于商业Pt/C催化剂的粒径。这表明,以Pt/Co-PPy-C催化剂为阴极催化剂制备的单电池性能优良,在质子交换膜燃料电池中有广泛的应用前景。     

气体扩散电极参数对阴离子交换膜燃料电池性能的影响

优化了碱性阴离子交换膜燃料电池（AAEMFC）使用的气体扩散电极（GDE）,发现催化层中PTFE含量与催化剂担载量对电池性能与其电化学动力学特征影响很大.采用i-V曲线,开路电压,电池内阻与在线的电化学阻抗谱与动力学分析,评估了所制GDE的电化学性能.在所研究的AAEMFC电极催化层中,PTFE的最佳含量是20%,Pt载量对膜电极三相界面、催化层导电性与催化剂利用率的影响极大.当制备的GDE催化层中Pt/C的Pt载量为1.0mg/cm²,PTFE含量为20%时,AAEMFC的峰电流密度在50^oC达到了213mW/cm².兼顾Pt催化剂的利用率与成本,在没有明显影响电池性能的情况下,Pt的担载量可降至0.5mg/cm².     

Macroporous composite capacitive bioanode applied in microbial fuel cells

Interfacial electron transfer between electroactive biofilm and the electrode was crucial step for microbial fuel cells(MFCs).A three-dimensional multilayer porous sponge coating with nitrogen-doped carbon nanotube/polyaniline/manganese dioxide(S/N-CNT/PANI/MnO2)electrode has been developed for MFC anode.Here,the S/N-CNT/PANI/MnO2 anode can function as a biocapacitor,able to store electrons generated from the degradation of organic substrate under the open circuit state and release the accumulated electrons upon requirement.Thus,the mismatching of the production and demand of the electricity can be overcome.Comparing with the sponge/nitrogen-doped carbon nanotube(S/N-CNT)bioanode,S/N-CNT/PANI/MnO2 capacitive bioanode displays a strong interaction with the microbial biofilm,advancing the electron transfer from exoelectrogens to the bioanode.The maximum power density of MFC with S/N-CNT/PANI/MnO2 capacitive bioanode is 1019.5 mW/m^2,which is 2.2 and5.8 times as much as that of S/N-CNT/MnO2 bioanode and S/N-CNT bioanode(470.7 mW/m^2 and176.6 mW/m^2),respectively.During the chronoamperometric experiment with 60 min of charging and 20 min of discharging,the S/N-CNT/PANI/MnO2 capacitive bioanode was able to store 10743.9 C/m^2,whereas the S/N-CNT anode was only able to store 3323.4 C/m^2.With a capacitive bioanode,it is possible to use the MFC simultaneously for production and storage of electricity.     

电沉积制备MnO2催化剂及其在微生物燃料电池中的应用

通过电沉积的方法获得了一种具有均匀孔隙结构的海绵状二氧化锰催化剂,结合扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等手段表征了所制备材料的表面形貌、结构及元素构成和赋存价态,采用线性伏安扫描(LSV)法对电沉积材料的电化学性能进行分析,考察其催化氧还原反应的活性,最后以合成的材料为阴极催化剂,构建微生物燃料电池系统,考察其在微生物燃料电池中的应用效果。结果表明,以电沉积二氧化锰为阴极催化剂的微生物燃料电池最大功率密度为975.6 mW/m~2,是以商业二氧化锰为阴极催化剂的电池的1.7倍;这表明作为一种经济、高效、环境友好的阴极氧还原催化剂,电沉积法制备的二氧化锰为实现阴极催化剂的低成本制备以及微生物燃料电池放大化推进提供了新的研究途径。     

阳极改性对微生物燃料电池处理秸秆水解物性能影响

以玉米秸秆稀酸水解液为阳极底物,用污水处理厂活性污泥为产电微生物菌源构建双室微生物燃料电池(MFC),采用三种不同方法改性阳极碳毡,并对其MFC产电性能进行研究。结果表明,以未改性碳毡(CC)、HNO_3酸解CC(HNO_3/CC)、壳聚糖改性CC(chitosan/CC)、PDADMAC/α-Fe_2O_3层层自组装改性碳毡(PDADMAC/α-Fe_2O_3/CC)的MFC的最大产电量分别为248、315、452和522 mV,最大功率密度分别为54.6、92.7、203.8和248.1 mW/m~2,COD的去除率分别为82.21%、81.46%、82.53%和86.44%。循环伏安曲线显示,PDADMAC/α-Fe_2O_3层层自组装改性的阳极碳毡具有较高的氧化还原电位。电化学阻抗谱图表明,PDADMAC/α-Fe_2O_3层层自组装改性碳毡的极化内阻最小,为7Ω。几种改性材料为阳极的MFC性能依次为PDADMAC/α-Fe_2O_3/CC壳聚糖/CCHNO_3/CC空白CC。     

电化学法改性阳极对MFC性能的影响

采用不同质量分数的NH_4NO_3和(NH_4)_2S_2O_8溶液作为电解液,对双室微生物燃料电池的阳极炭布进行改性。以餐厨废水作为阳极底物,以K_3[Fe(CN)_6]和NaCl混合溶液为阴极液,考察不同电解液改性阳极条件下微生物燃料电池的产电性能及污水处理效果。结果表明,采用NH_4NO_3或(NH_4)_2S_2O_8改性炭布作为阳极的微生物燃料电池的发电性能和水处理效果均有改善。其中,采用质量分数为4%的(NH_4)_2S_2O_8溶液作为阳极改性电解液时,微生物燃料电池系统的产电性能达到最佳,其稳态电流密度约为60 m A/m~2,COD去除率约为42.5%。     

共基质改善MFC处理链霉素废水及产电性能的研究

以K_3[Fe(CN)_6]和NaCl混合溶液为阴极液,以驯化的人工湖泊底泥为微生物菌种,以链霉素废水为阳极液,构建微生物燃料电池实验系统,研究添加共基质前后微生物燃料电池的废水处理效果与同步发电性能。结果表明,以链霉素废水为阳极液的微生物燃料电池的产电能力及废水处理效果均较差,并且随着链霉素浓度的增大而进一步恶化;但将葡萄糖作为共基质添加至阳极链霉素废水后,微生物燃料电池的产电能力和废水处理效果均显著提高。链霉素浓度为50 mg/L时,未添加共基质的微生物燃料电池处理链霉素废水的COD去除率为52%,产电电流密度为25 m A/m~2,输出电压为4.72 m V;添加共基质后,COD去除率为92%,稳态产电电流密度为300 m A/m~2,稳态输出电压为54 m V。     

微生物燃料电池处理餐饮废水及同步发电性能研究

针对食堂餐饮废水,建立微生物燃料电池实验系统,研究微生物燃料电池废水处理与同步发电性能。首先使用Fe(NO3)3溶液作为阴极电解液进行实验,证明餐饮废水生物降解及产电的可行性;分别采用NaCl溶液和K3[Fe(CN)6]溶液作为阴极电解液进行对比实验,研究不同运行环境下微生物燃料电池的发电性能和污水净化效果。结果表明,采用NaCl溶液和K3[Fe(CN)6]溶液作为阴极电解液时的COD去除率分别是30%和22%左右,平均电流密度分别为5.6和5.2mA/m2。在污水稀释比为2∶1、NaCl电解液浓度为0.4mol/L的情况下,微生物燃料电池系统的发电性能和净水效果达到最佳状态,稳态电流密度为8.8mA/m2,COD去除率为33.3%。     

Optimization of double chamber microbial fuel cell for domestic wastewater treatment and electricity production

Microbial fuel cells (MFCs) represent a new approach for treating waste water along with electricity production. The present study addressed electricity production from domestic wastewater using a mediator-less double chamber MFC. The electricity production was monitored under different operational conditions for both summer and winter samples. Optimization of the anodic and cathodic chambers resulted in a maximal current of 0.784 and 0.645 mA with the maximal power intensity of 209 and 117 mW/m² in power duration of 24 h for the summer and winter samples, respectively. Scanning electron microscopy showed that the bacterial biofilm formation on the anode was denser for the summer sample than that when the winter sample was used, so was the total bacterial count. Therefore, samples taken during summer were considered better in electricity production and waste water treatment than those taken during winter basically because of the high microbial load during the hot season. In parallel, there was a decrease in both biological oxygen demand (BOD₅) and chemical oxygen demand (COD) values which reached 71.8% and 72.85%, respectively at the end of the operation process for the summer sample, while there was no evident decrease for the winter sample. Optimizing the operating conditions not only increased the potential of using domestic waste water in microbial fuel cells to produce electricity, but also improved the quality of the domestic waste water.     

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%。     

生物电化学系统降解多环芳烃萘及微生物群落研究

采用单室空气阴极微生物燃料电池(MFC)反应器构型, 以不同浓度萘为基底物质, 考察MFC的产电性能、 萘降解率、 化学需氧量(COD)和总有机碳含量(TOC)降解率及MFC阴阳极微生物活性和多样性. 结果表明, 循环伏安曲线受不同浓度萘的影响变化较为明显, 随着萘浓度的增大, 最大功率密度呈下降趋势, 且萘对MFC的阴极电极电势影响较大; 当萘的浓度为15 mg/L时, MFC最大功率密度可达(645.841±28.08) mW/m ²; 对萘的降解率高达100%, 且MFC对COD和TOC的降解率随着萘浓度的提高而增大, 但是增大的速率逐渐减小. 对MFC阳极微生物膜进行高通量测序发现, Geobacter是优势菌属, 相对丰度达81%, 阴极主要以Aquamicrobium为主.     

Ag-TiO2-MnO2复合材料的制备与电化学性能研究

采用高温固相法制备了Ag-TiO₂共修饰的二氧化锰锂电池阴极材料,通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅立叶红外光谱仪（FT-IR）、X射线光电子能谱仪（XPS）、能量散射X射线能谱（EDS）、循环伏安测试（CV）、恒流放电测试、交流阻抗测试（EIS）等分别检测了所制备样品的物理-化学特性及相应的电化学性能特征.结果表明：空白二氧化锰与修饰后二氧化锰均为β 晶型,相比于未修饰样品,Ag-TiO₂-MnO₂ 样品的形貌得到了明显的改变.修饰后样品大倍率的放电比容量显著提升,1C 下的容量由 75mAh·g^-1 增加到 115mAh·g^-1,Ag-TiO₂-MnO₂ 样品 Mn-O 键能的增强对于抑制放电过程中体积膨胀也有一定作用,可以使二氧化锰材料保持较好的结构稳定性.