海泥孔隙率对海底微生物燃料电池电化学性能影响及有机质扩散分析

海底沉积物微生物燃料电池(MSMFC)在长期运行过程中,海泥孔隙率影响阳极表面水平方向有机质扩散,进而影响阳极电化学性能和电池功率输出.通过人工调节孔隙率在实验室模拟并研究孔隙率对MSMFC的影响,建立孔隙率与MSMFC产电量和水平扩散系数之间定量关系式.结果表明:随着孔隙率升高,阳极动力学活性先降低后升高,最高动力学活性是最低动力学活性的3.85倍;电池最大输出功率密度在孔隙率为45.2%时,达到最大值206.8 mW/m^(2).随着孔隙率的增大,有机质水平扩散系数升高,并与MSMFC产电量存在线性关系.当孔隙率为45.2%时,扩散系数为0.48 m^(2)/s,MSMFC产电量达到804.04 J.该研究结果将为MSMFC在不同海域布放选址、阳极结构设计及电池长期产电运行提供技术支撑.

外源添加物对海底沉积物微生物燃料电池性能的影响

以天然海泥(BMFC-0)、外添加葡萄糖的海泥(BMFC-1)和外添加丹皮酚的海泥(BMFC-2)作为底物构建海底沉积物微生物燃料电池(BMFCs),研究外源添加物对BMFCs电池性能及电极性能的影响。结果表明,丹皮酚对海泥中微生物具有明显抑制作用,葡萄糖提高海泥中微生物的产电性能。通路状态下,BMFC-1的阳极电位低于BMFC-0,BMFC-2的阳极电位高于BMFC-0。电化学研究结果表明,BMFC-1阳极生物膜中产电菌电化学活性高于BMFC-0,而BMFC-2产电菌的电化学活性受到抑制;BMFC-1和BMFC-2的阳极相对动力学活性分别是BMFC-0的1.91倍和0.67倍。BMFC-1的平均输出功率密度为7.294m W/m2,分别是BMFC-0(0.875m W/m2)和BMFC-2(0.106m W/m2)的8.3和68.8倍。根据添加物对阳极表面生物膜电容特性影响的分析,提出阳极表面电容性质对电极及电池性能影响的独特机理。

腐殖酸和木质素磺酸钠对海底沉积物微生物燃料电池性能影响的比较研究

沉积物有机质种类对海泥电池阳极和输出功率具有重要影响。腐殖酸和木质素磺酸钠是海洋天然存在的有机质和海泥细菌营养底物,本文通过向500g沉积物中分别添加2g腐殖酸(HA组)和木质素磺酸钠(Lignin组)比较二者对海底沉积物微生物燃料电池性能的影响。结果表明,HA组和Lignin组阳极附近微生物数量分别提高到空白组的11.6和17.0倍。其循环伏安电容分别从70.455F/m^(2)(空白组)提高到265.152F/m^(2)(HA组)和704.199F/m^(2)(Lignin组);交换电流密度分别是0.411×10^(-3) mA/cm^(2)(HA组)和0.585×10^(-3) mA/cm^(2)(Lignin组)较空白组(0.385×10^(-3) mA/cm^(2))分别提高1.1和1.5倍;最大功率密度提高了1.6和1.9倍,分别达到438.578mW/m^(2)(HA组)和520.722mW/m^(2)(Lignin组)。上述结果表明腐殖酸和木质素磺酸钠均提高了海泥电池的阳极性能和输出功率,且木质素磺酸钠的影响更为显著。本研究将为海泥电池应用的海域选择和性能分析提供理论依据。

聚苯胺基改性阳极在海底沉积物微生物燃料电池中的应用及其电化学性能

本文采用电化学聚合法在碳毡表面沉积制备聚苯胺基改性阳极。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)进行成分表征,用光学显微镜对改性电极表面形貌进行表征,并进行了一系列电化学测试。结果表明,聚苯胺和聚吡咯优异的电化学性能使电池的抗极化性能得到提高,最大输出功率密度提高了3倍左右,电池的整体性能得到改善。最后探讨了聚苯胺基改性阳极的作用机理。

低电位泡沫石墨改性阳极及其在海底微生物燃料电池中的应用

泡沫石墨是一种新型阳极材料,对其进行改性是提高海底微生物燃料电池性能的重要途径之一。本文研究了混酸改性泡沫石墨阳极及其电化学性能。研究表明:改性后泡沫石墨表面生成羟基、羧基等含氧官能团;改性阳极接触角降低了24.5°,润湿性提高,有利于微生物附着;交换电流密度达到6760.8 mA/m2,动力学活性提高了53.7倍。研究还发现改性后阳极电位降低了100 mV,电池开路电位达到865 mV(未改性750 mV),最大输出功率密度为358.1 mW/m2,提高了2.4倍。三个月放电测试显示,改性阳极和电池具有相对稳定的性能。同时,本文初步分析了改性后阳极动力学活性增加和电位降低的原因。该研究结果为构建高输出电压和功率的海底微生物燃料电池提供了依据。

不同碳材料阳极对海底微生物燃料电池性能影响

分别以相同投影面积的不同碳材料作阳极,以最大功率、阳极电势和内阻为评价指标,研究不同碳材料对海底微生物燃料电池(BMFCs)产电性能影响,利用塔菲尔曲线比较不同碳材料电化学活性。结果表明:碳纤维、碳毡、泡沫碳、碳棒做阳极时,稳定电位和启动时间基本相同;抗极化性能依次减弱;最大功率密度分别为45.79、22.16、16.85、6.17 mW/m2;电池内阻分别为:213、257、312、358Ω;最大交换电流密度分别为0.33、0.13、0.11、0.01 A/m2;组成电池的稳定输出功率分别为0.72、0.61、0.51、0.32 mW。阳极物质传递分析表明,BMFCs产电性能受阳极材料表面附着微生物数量和底物转移率影响。

仿栅栏结构阳极的构建及其在海底沉积物型微生物燃料电池中的产电性能评价

研究了模拟实海环境下的阳极材料、阳极面积以及阳极埋置深度对海底沉积物型微生物燃料电池(Benthic microbial fuel cell,BMFC)产电性能的影响。优选出碳板为阳极材料,并基于碳板材料设计了具有栅栏状结构的阳极,将其应用于BMFC中,电池的最大输出功率可达到3.7 mW,结合升压模块将电池两端的输出电压提高到5.2 V,成功驱动了小型温湿度传感器。此外,栅栏状结构的阳极具有体积小易部署,便于构建电池单元组等优点,为BMFC在实海环境中的应用及扩大化提供了更加便利的解决方案。

沉积型海底微生物燃料电池构建及其影响因素研究

海底微生物燃料电池具有底物丰富、可长期运行、维护成本低和环境友好等特点,具有很好的研究价值和广阔的发展前景。但由于其低的功率密度输出和长期运行的不稳定性,使海底微生物燃料电池尚未得到广泛地实际应用。选取海底沉积泥用于实验室构建的海底微生物燃料电池装置中,比较了在不同阳极材料、阴阳极面积比、阳极修饰、阳极泥下深度条件下海底微生物燃料电池的功率密度输出及其电化学性能,得出最佳的海底微生物燃料电池阳极材料为碳毡;阴极及电极最佳面积比为1∶1;最佳阳极修饰为氨水浸渍;最佳阳极泥下深度为2 cm。

海底微生物燃料电池阳极锰盐改性及产电性能研究

阳极是限制海底微生物燃料电池输出功率的关键因素,通过改性阳极,可望提高微生物燃料电池性能。本文利用MnSO4氧化还原介体修饰石墨阳极,研究了MnSO4含量对阳极和电池产电性能的影响。结果表明,锰离子可有效加速电子转移,当阳极MnSO4的含量为4%时,阳极性能最好,电池内阻最小,最大输出功率密度为51.64 mW/m2,是普通石墨电极的3倍。

樟脑磺酸掺杂聚苯胺复合阳极在海底微生物燃料电池中的应用

制备了一种樟脑磺酸掺杂聚苯胺(PANI-(D-CSA))新型复合阳极,研究了其最佳配比,并在海底微生物燃料电池(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%时复合阳极具有最小的内阻,最低的阳极极化曲线斜率,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BMFC-石墨阳极的3.7倍。这种新型复合阳极有望应用在BMFC中以得到较高的输出功率密度。

海底微生物燃料电池电催化降解有机碳

利用混酸[V(质量分数32%HNO3)∶V(质量分数49%H2SO4)=1∶1]和Fenton试剂分别改性海底微生物燃料电池(BMFCs)阳极,与未改性的BMFCs(P-BMFC)作对比,研究了BMFCs的产电性能,探索了BMFCs对海底沉积层中有机碳的电催化降解作用。系统运行50 d后测定显示,混酸改性BMFC(H-BMFC),Fenton试剂改性BMFC(F-BMFC)和未改性BMFC(P-BMFC)产生的电量分别为6213,5521,4969 C;对海泥中有机碳的降解率分别为58.9%,39.2%,26.7%,分别是有机碳自然降解效率的58.9倍,39.2倍,26.7倍。结果表明:BMFCs对海底沉积层有机碳电催化加速降解效果明显;BMFCs的产电量与有机碳降解效果具有明显正相关性。为海底污染物绿色化及监测技术提供了新思路。

海底微生物燃料电池阳极邻苯二酚紫修饰及电化学性能

为了提高海底微生物燃料电池(BMFC)的功率,尝试利用邻苯二酚紫(PCV)修饰电池阳极,分析研究其电化学性能。结果表明,改性阳极表面的接触角由129.1°减小到了63.3°,亲水性增加。表面附着可培养异氧细菌数由6.8×105/cm2增加到1.6×106/cm2,数量提高1倍。改性阳极具有很好的抗极化性能,交换电流密度(i0)由1.337×10-3 A/m2提高到2.999×10 A/m2,动力学活性显著提高。电池最大功率密度(Pm)由28.5 mW/m2提高到55.1 mW/m2。同时,PCV具有生物活性,从理论上分析了PCV的生物催化性能,具有一定的探索意义。

聚苯胺在海底沉积物微生物燃料电池阳极改性中的研究进展

聚苯胺不仅是一种重要的导电高分子材料,而且是一种良好的阳极改性材料。本文论述了聚苯胺的各种合成机制以及分子结构,对影响聚苯胺电化学性质的各种因素做了分析介绍。结合海底沉积物微生物燃料电池的作用机制和应用特点,讨论分析了聚苯胺在这类微生物燃料电池电极改性方面的研究进展。

海底微生物燃料电池阳极钯改性及电化学性能

阳极性能是限制海底微生物燃料电池输出功率的重要因素,通过阳极改性有望提高电池性能。利用循环伏安电沉积方法在电池阳极沉积钯颗粒,并研究了钯改性阳极的电化学性能。结果表明:钯改性阳极具有较高的交换电流密度;钯改性阳极构建的电池内阻较低,输出功率密度较高。2 mmol/L的Pd Cl2溶液改性阳极性能较好,交换电流密度是未改性阳极的1.18倍,电池功率密度是未改性的4.9倍。在电子向阳极传递过程中,推测钯粒子分别接收细胞色素和胞外氢化酶传递的电子,加速电子跨膜转移,并提出了一种新的电子转移模式。

无介体微生物燃料电池研究进展

介绍微生物燃料电池特点,综述相关的研究进展。从深海沉积物中分离到微生物Rhodoferaxferrireducens、Geobactermetallireducens和Geobactersulfereducens在分解有机底物(海底沉积物、葡萄糖、废糖蜜)进行自身代谢过程中,易在固体表面吸附成膜,无需介体可直接将电子传递到电池的阳极。能量转换为电能的效率大于70%,电流密度为30mA/m2,电池输出功率密度达到3W/m2(0.2V)。

海底生物燃料电池作为电源驱动小型电子器件的应用研究

海底沉积物生物燃料电池(简称海底生物燃料电池)是一种新型的海洋能源材料电池,它的发电机理主要是利用海底沉积层内细菌代谢产生电子,通过人工放置的改性阳极收集电子,产生电能,可用于驱动水下监测仪器的长期连续运行。本研究首先设计海底生物燃料电池实验室装置,利用电池串联升压的方式,实现其驱动小型电子装置和监测仪器的连续运行。在此基础上,设计并安装了实际海况电池实验装置,利用并联设计和特殊升压装置,在胶州湾浅海成功驱动小型电子装置的运行。本研究初步验证了海底生物燃料电池作为电源驱动仪器的可行性。

海底生物燃料电池阴极二氧化锰改性及性能

阴极改性是提高海底生物燃料电池输出功率的重要途径之一。金属锰氧化物可作为阴极表面电子转移介体,加速电子传递,提高阴极和电池性能;二氧化锰含量不同,电池性能不同。不同含量的比较研究结果表明当阴极MnO2含量为4%时,阴极抗极化性能最好,电池内阻最小,最大输出功率密度为20 mW/m2,是纯石墨阴极电池的2倍多。同时分析了催化剂MnO2提高电池性能的电子传递机理。本研究结果可为海底生物燃料电池的阴极设计提供重要依据。

碳材料阴极对海底沉积物燃料电池性能影响

以不同碳材料作阴极,研究不同碳材料在海底沉积物燃料电池(B M FC s)中的产电性能。结果表明:粘胶基碳纤维、P A N基碳纤维、碳刷、碳毡、泡沫碳、碳棒和碳板分别作阴极时,稳定电位和稳定时间基本相同;抗极化性能依次减弱,组成的B M FC s最大输出功率密度依次为45.78、37.64、35.24、28.94、22.16、16.84和16.17 m W/m 2;对应电池内阻分别为361、402、425、445、523、572和637Ω;B M FC s长期放电实验的稳定输出功率分别为0.70、0.65、0.60、0.50、0.45、0.31和0.35 m W。扫描电子显微镜法(S E M)表征及阴极传质机理分析发现碳材料的表面积是限制阴极产电性能的关键因素之一,为B M FC s实际应用及结构优化提供了参考。

外源营养物对海底沉积物微生物燃料电池电化学性能的影响

以天然海泥(BMFC-0)、添加尿素的海泥(BMFC-1)和添加乳酸的海泥(BMFC-2)构建海底沉积物微生物燃料电池(BMFCs),研究外源添加营养物质对BMFCs电池性能及电极电化学性能的影响。结果表明,尿素和乳酸这两种营养物质明显影响海泥中微生物的数量和电化学性能;计数结果表明,BMFC-2中的细菌数量最多,约为1.08×10^(11)cfu/m^2,分别是BMFC-1和BMFC-0的2.97倍和13.5倍。Tafel测试结果表明,BMFC-2阳极生物膜电化学活性高于BMFC-1和BMFC-0;BMFC-1和BMFC-2的阳极电子交换动力学活性分别是BMFC-0的1.30倍和1.63倍。通路状态下,BMFC-2的输出电压最大(约520 mV),BMFC-0的输出电压最低(约175 mV);BMFC-2的最大输出功率密度为96.57 mW·m^(-2),分别是BMFC-0(10.94 mW·m^(-2))和BMFC-1(51.57 mW·m^(-2))的8.83倍和1.87倍。根据外源营养物质对阳极表面生物膜电容特性影响的分析,提出了外源营养物提高电池性能的模型,阴极表面细菌数量增多,代谢产生的电子数量增加,生物膜增厚,生物模电容和双电层电容增大。

碳酸氢铵电化学氧化阳极对含油海底沉积物微生物燃料电池性能影响及其加速降解研究

制备了3种阳极(未改性阳极、氨水改性阳极、NH_4HCO_3电化学氧化改性阳极)组建海底沉积物微生物燃料电池(MSMFCs),探究阳极的不同氨改性方法对含油MSMFCs电化学性能和石油降解率的影响。结果表明,电化学氧化改性阳极的电容特性是未改性阳极组的1.78倍,并且其抗极化能力最强,交换电流密度为2.57×10^(-2)A·m^(-2),是未改性的5.00倍;由电化学氧化改性阳极组建的电池的最大输出功率密度是1.53×102m W·m^(-2),较空白组的增加3.56倍,且该电池阳极沉积物中石油的降解率是空白组的10.40倍,这是因为改性阳极表面连入了有利于微生物附着的酰胺基团和氨基基团,提高了电池电化学性能并加速了石油的降解。