聚苯胺阳极材料的制备及其在海底沉积物微生物燃料电池中的应用
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一种利用产电微生物的催化作用将无机物或有机物中的化学能转化成电能的装置,具有清洁无污染、产电同时降解有机废物等特点。海底沉积物微生物燃料电池(Benthic Sediment MicrobialFuel Cell,BMFC)是一种特殊的MFC。BMFC的阳极埋在厌氧的海底沉积物中,通过外电路与上部海水中的阴极相连。BMFC有望为偏远海洋区域的小型仪器持续供电。
然而,较小的输出功率密度限制了BMFC的实际应用。产电微生物与阳极之间的电子转移速率是决定电池性能的重要因素。阳极材料的性质和结构对产电微生物的附着、电子的传递以及底物的氧化密切相关。由于聚苯胺具有较高的电导率、环境稳定性和氧化还原活性,使它在二次电池及电催化方面都有广泛的应用。
本工作中,我们制备了四种聚苯胺阳极材料,并将它们分别制备成复合阳极应用在BMFC中。四种聚苯胺阳极材料均能显著提高电池的性能,因此有望应用在BMFC中以得到较高的输出功率密度。主要研究内容及实验结果如下:
(1)制备了一种新型的樟脑磺酸掺杂聚苯胺(PANI-(D-CSA))复合阳极。研究了其最佳配比,并应用在BMFC中测定其电化学性能。采用XRD衍射、热失重对聚苯胺阳极材料进行了表征。结构分析表明,PANI-(D-CSA)为部分结晶,热稳定性较好。性能测试表明:PANI-(D-CSA)质量分数为50％的复合阳极具有最小的内阻,阳极极化曲线斜率最低,同时电池的输出功率密度显著提高,最大输出功率密度达到233.9 mW/m2,是纯石墨阳极的3.7倍。
(2)制备了磺化聚苯胺、磺化聚苯胺锰酸盐复合物、磺化聚苯胺钒酸盐复合物三种阳极材料并将其分别应用在BMFC中。利用XRD、热失重分析来表征阳极材料的化学组成和形态。由于聚四氟乙烯(PTFE)的加入导致复合阳极的亲水性下降,我们通过线性扫描伏安曲线及塔菲尔曲线来研究该复合阳极的电化学性能。与石墨阳极(34.1 mW/m2)相比,磺化聚苯胺、磺化聚苯胺锰酸盐复合阳极、磺化聚苯胺钒酸盐复合阳极的最大输出功率密度分别为129.1,140.6和187.1 mW/m2。表观内阻由10644Ω(石墨阳极)减小至3253,2402和1716Ω。交换电流密度由2.2189×10-7 A/cm2(石墨阳极)增大至2.3015×10-6,3.6308×10-6和5.9863×10-6 A/cm2。在此,我们提出了磺化聚苯胺与钒酸盐的协同机理,对电化学性能的提高进行合理解释。
聚苯胺;复合阳极材料;电化学性质;海底沉积物;微生物燃料电池;电池性能
中国海洋大学
硕士
材料物理与化学
付玉彬
2011
中文
TM911.45;TQ325.2
73
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）