论文部分内容阅读
近年来,由于全球对化石燃料（石油、煤气）的过度消耗而导致能源短缺和环境污染等问题日益严重。微生物燃料电池（MFC）是一种崭新的能源可再生技术,有机废物中储存的化学能能够在产电微生物的作用下转化为可直接利用的电能,能够极大地利用废水中储藏地巨大能量,在处理环境污染的同时还能产生清洁的能源,对开发清洁能源和缓解环境污染都有重要的意义。但MFC的输出功率密度不足成为限制MFC实际应用的瓶颈。本研究以提升微生物燃料电池（MFC）的产电性能为研究目标,通过改性传统碳纸阳极为手段,并辅助光能,以实现多种能源的综合利用。首先用自然界广泛存在的羟基氧化铁（α-Fe OOH）在传统碳纸上合成α-Fe OOH纳米线（α-Fe OOH-NWs）,并将α-Fe OOH-NWs作为MFC的阳极来提升MFC的产电性能。接着首次将α-Fe OOH-NWs作为MFC的光电阳极,使其在光照下进一步增强MFC的产电性能。最后继续在α-Fe OOH-NWs上负载导电性好,光电响应能力强的聚苯胺（PANI）,首次合成了α-Fe OOH-NWs/PANI,综合研究了其电化学性能、导电性及光电响应能力等。同时将α-Fe OOH-NWs/PANI用作MFC的光电阳极,提出了其在光照下增强MFC性能的途径和机理。主要研究内容和成果如下:（1）用水热合成法成功地在碳纸上合成了α-Fe OOH纳米线,α-Fe OOH纳米线的直径在30-50 nm之间,长度在几至几十微米之间,并且具有针铁矿的结构。同时,α-Fe OOH纳米线能够改善碳纸阳极的电化学活性并降低阳极界面的电子转移电阻（Rct）,从而提升阳极表面的电子转移效率。α-Fe OOH-NWs上附着了更多的微生物,说明α-Fe OOH-NWs是一种良好的生物膜生长基质,具有良好的生物相容性。（2）在MFC运行期间,α-Fe OOH-NWs组装的MFC的最大输出电压约达到CP的1.62倍,最大功率密度约是CP的3.2倍。发电性能的改善主要归因于以下因素:1)α-Fe OOH纳米线作为金属氧化物,具有良好的电化学活性,并能够增加碳纸表面上的电化学活性位,加快细菌与阳极之间的电子转移速度。2)α-Fe OOH纳米线增加了碳纸的比表面积,为产电细菌提供了更多的附着位点。同时,交错的纳米线网络有助于细菌牢固粘附,这有利于生物膜的形成,因此,可以增强细菌与阳极表面之间的相互作用,并且可以进一步促进细菌与电极之间的电子转移。（3）光电测试结果证明α-Fe OOH-NWs在光激发下能生成光生电子和空穴,能产生光生电流,是一种良好的MFC光电阳极。在光照时,α-Fe OOH-NWs光电阳极的电荷传递电阻减小了20.7%,电子转移速率提升。α-Fe OOH-NWs用做MFC的光电阳极时,在有光照时MFC的最大功率密度约是无光照时的1.48倍,说明光照能极大地提升了MFC的产电性能。表明了在MFC中,α-Fe OOH-NWs光电阳极在照明时会产生光激发电子,这些电子通过阳极转移到MFC的外部电路中,通过外部电路到达阴极室,再加速阴极的氧化还原过程,从而显著改善了MFC整体产电性能。（4）聚苯胺的成功负载,有效地增加了α-Fe OOH-NWs的粗糙度和表面积且不会改变α-Fe OOH纳米线的外形和晶体结构。由于聚苯胺在α-Fe OOH-NWs表面上引入了新的表面电化学活性基团,导致α-Fe OOH-NWs/PANI的电化学活性显著提升。同时聚苯胺良好的导电性和纳米线独特的一维结构降低了原有电极的电荷转移电阻（Rct）,提高了电荷转移速率。α-Fe OOH-NWs/PANI电极的光电响应强,聚苯胺产生的光生电子能转移到α-Fe OOH的导带,并且接受α-Fe OOH价带的光生空穴,从而抑制了α-Fe OOH-NWs电子-空穴对的重组,提高光生电子-空穴分离效率,光生电流增强。说明α-Fe OOH-NWs/PANI电极光电效应明显增强,是一种更好的MFC新型的光电阳极。（5）当有光照时,α-Fe OOH-NWs/PANI光电阳极的电荷转移电阻（Rct=21.9Ω）明显低于无光时的电荷转移电阻（Rct=43.2Ω）,下降幅度为49.3%。同时光照使MFC两端的电压和功率密度也有明显的提升,从无光照时的1.38W/m~2增加到有光照时的1.95 W/m~2,增加了41%,说明α-Fe OOH-NWs/PANI光电阳极在光照下能够增强MFC的功率密度和产电性能。（6）光照能增强α-Fe OOH-NWs/PANI阳极的MFC产电性能的主要基于以下机理:1)聚苯胺在光照下激发下电子-空穴对,其中电子能够转移到α-Fe OOH的导带,增加电子流密度;并且聚苯胺本身也是一种好的空穴接受体,提升电子-空穴对的分离效率,所以能产生较大的光生电流;2)聚苯胺良好的导电性和纳米线独特的一维光电子路径能够促进光生电子的转移,进一步强化光电响应能力;3)α-Fe OOH-NWs/PANI的电化学活性、导电性、粗糙度和表面积有较大提升,这些因素也能在不同程度上增强MFC的功率密度。以上机制和协同作用使光照下的MFC产生了更优异的产电性能。