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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划微生物燃料电池电极材料研究选题一句课程论文微生物燃料电池电极材料的研究进展摘要:微生物燃料电池以微生物为催化剂将化学能直接转化成电能，可用于废水处理并产生电能，是一种极具应用前景的生物电化学技术本文综述了近年来微生物燃料电池电极材料的制备功能修饰及表面构建等研究进展，着重介绍了碳基纳米材料的微结构与成分对微生物燃料电池性能的影响，并分析了微生物燃料电池电极材料现存的主要问题，以期不久的将来微生物燃料电池能付之实用。关键词：微生物燃料电池、阳极、阴极Abstract:Microbial
2、fuelcells(MFC)aredevicesthatcandirectlyconvertorganicchemicalenergyintoelectricalenergywithmicrobialasarepromisingbio-electrochemicalsystemswiththepotentialtodegradeorganicsewageandproduceelectricity.Thisarticlesuppliesacriticalandcomprehensivereviewfortheelectrodematerialconcemingaboutanodeandcatho
3、deinMFC，includingthefabrications，functionalmodificationsandsurfaceconstructionsofelectrodematerials,aswellastheirapplicationsin,theexistingproblemsofelectrodematerialsincurrentMFChavebeendemonstratratedinordertoprovidetheguidelinesforexploringthenext-generationelectrodematerialsforMFC。Keywords:Micro
4、bialfuelcells、anode、cathode一、前言传统废水处理工艺需求能量较高，随着全球经济的高速发展，能源危机已成为当今国际社会共同面临的重大问题。因此，寻求低能耗、无污染或少污染、经济效益好的废水处理工艺是水污染控制领域亟需研究解决的重要课题。微生物燃料电池技术处理废水工艺，不但具有无污染、无需能量输入、操作条件温和、能直接利用废水中多种有机、无机物质作为原料等优点，更重要的是能够在降解污染物的同时产生电能。这种革命性的废水处理工艺近年来成为国内外学者的研究热点。微生物燃料电池是利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装
5、置。在微生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换。微生物燃料电池又简称MFC。二、工作原理附着在阳极端的微生物催化氧化阳极室中的有机物产生电子和质子，电子由外电路传递至阴极，质子则经交换膜到达阴极室，电子质子和电子接受体(如溶解氧)在阴极反应生成水，电子不断地定向迁移，产生外电流。三、微生物燃料电池(来自:写论文网:微生物燃料电池电极材料研究选题一句)的优点可利用生物废物有机物发电，清洁环保，它能够直接利用生物废物和有机物产生电能，产出的能量可以用作污水处理厂的运行，或者在电力市场出售；将底物直接转化为电能，能量转化率高。在厌氧处理过程中，产生的沼气燃烧发电时，以电能输
6、出的能量至多只能占输入能量的13。虽然通过热能形式可以回收一部分能量，但总的效率仍然停留在30。而由于微生物燃料电池的能量转化没有中间过程，因此能量转化效率相应升高，实际总效率可达到80；微生物燃料电池并不像常规的电池那样，在使用了一定时间以后需要充电才能继续使用。每次利用很短的时间补充底物微生物燃料电池就可以继续工作。污泥产量低，在好氧生物转化过程中，生长率一般估算为049干细胞gCOD。由于电能的产生，微生物燃料电池中微生物的生长速率比普通的好氧处理过程相比低很多；简化了气体处理过程。一般厌氧处理过程排出的气体含有高浓度的氮气、硫化氢和二氧化碳，其次是需要的甲烷或氢气。微生物燃料电池排出的
7、气体一般无毒无害，可以直接排放；可节省曝气装置，如果采用单室微生物燃料电池，选用空气阴极，被动通风的方式，则不需外加能量用于曝气。四、影响微生物燃料电池性能的因素MFC输出功率密度的主要影响因素有反应器构型、接种物来源、底物种类、质子交换膜及电极材料等。电极材料作为微生物催化反应界面，其生物相容性、比表面积、导电性及化学稳定性等直接影响微生物在阳极材料上的吸附生长、微生物传递电子能力、电极阻抗及阴极氧还原反应的速率，而且，作为反应器的重要组成部件，电极材料的选择也决定了污水处理的成本。因此，电极材料的设计制备和选择对优化提升MFC的性能至关重要。五、阳极材料微生物燃料电池中阳极材料的微、纳结构
8、以及导电性将影响微生物向电极传递电子的效率，由于微生物直接附着于阳极表面，其生物相容性对微生物培育生长尤为重要。较复杂的MFC阳极室环境要求阳极材料应有好的稳定性。总之，阳极材料应具备低电阻、抗腐性、好的生物相容性、高化学稳定性、大比表面积以及适当的机械强度和韧性。1、传统碳材料碳纸、碳布、石墨棒、石墨纤维刷及活性碳等碳材料阳极已广泛应用，这些材料价格低廉，导电性优异且耐腐蚀性能佳，微生物在其表面容易附着与生长。其中，碳纸较硬脆，易于连接导线;碳布孔隙多，较碳纸柔软，两者作为平板电极的典型代表，可通过降低阴阳电极间的距离，提高MFC的性能。石墨导电性较好，以石磨棒和石墨毡作电极的对比研究表明，
9、比表面积越大产电率也越高，Liu和Logan设计的单室空气阴极，以8支石墨棒作阳极，无防水处理的载铂碳布为阴极，生活污水为底物，微生物燃料电池电极材料的研究进展一、目录概述工作原理优点阳极材料阴极材料展望概述：微生物燃料电池是利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置。在微生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换。微生物燃料电池又简称MFC。工作原理：附着在阳极端的微生物催化氧化阳极室中的有机物产生电子和质子，电子由外电路传递至阴极，质子则经交换膜到达阴极室，电子质子和电子接受体(如溶解氧)在阴极反应生成水，电
10、子不断地定向迁移，产生外电流。微生物燃料电池的优点:(1)燃料来源广泛,尤其可利用有机废水等废弃物;(2)反应条件温和,常温常压下即可运行;(3)环境友好,无酸、碱、重金属等污染物产生;(4)因能量转化过程无燃烧步骤,故理论转化效率较高。MFC输出功率密度的主要影响因素有反应器构型、接种物来源、底物种类、质子交换膜及电极材料等电极材料作为微生物催化反应界面，其生物相容性比表面积导电性及化学稳定性等直接影响微生物在阳极材料上的吸附生长微生物传递电子能力电极阻抗及阴极氧还原反应的速率，而且，作为反应器的重要组成部件，电极材料的选择也决定了污水处理的成本因此，电极材料的设计制备和选择对优化提升的性能
11、至关重。阳极材料：阳极材料应具备低电阻抗腐性好的生物相容性高化学稳定性大比表面积以及适当的机械强度和韧性阳极材料分类1、传统碳材料2、碳纳米管及其复合物3、石墨烯传统碳材料：碳纸碳布石墨棒石墨纤维刷及活性碳等碳材料阳极已广泛应用这些材料价格低廉导电性优异且耐蚀性能佳，微生物在其表面容易附着与生长其中，碳纸较硬脆，易于连接导线;碳布孔隙多，较碳纸柔软两者作为平板电极的典型代表，可通过降低阴阳电极间的距离，提高MFC的性能碳纳米管及其复合物：碳纳米管有特定孔隙结构高机械强度大比表面积好的热稳定性和化学惰性以及高导电性，碳纳米管可增大电极表面积，其一维纳米尺度可促进细菌细胞膜纳米纤维的电子传递，增强
12、微生物向电极传输电子的能力，作为MFC催化剂载体有较好的应用前景碳纳米管可有效降低MFC的阳极内阻石墨烯：石墨经化学氧化剥离还原处理等可形成石墨烯，合成过程不使用毒性金属催化剂，这为石墨烯用于提供了可能。首次证实石墨烯氧化物的网状结构可促进生物电化学系统中的微生物胞外电子向电极转移，将其应用于MFC中，电流密度和功率密度较碳纸电极增加4倍，使用石墨烯修饰不锈钢电极，MFC的最大功率密度可达，这归因于电极面积增大及微生物数量增多阴极材料：电子受体在电极的还原速率也是决定MFC输出功率的重要因素，采用化学阴极法或生物阴极法，增强催化活性，加快还原反应速率是MFC阴极材料的首选方法。目前，MFC阴极
13、材料大多采用性能优异的碳载铂催化剂，但成本较高因此，寻求高活性的廉价催化剂仍是MFC阴极的研究重点几种常见的阴极材料：贵金属铂基催化剂，非贵金属氧化物催化剂，过渡金属大环类催化剂PbO2一前言微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。随着环境问题和能源危机的日益严重,微生物燃料电池作为一项新型的污水处理和能源
14、回收技术引起了国内外广大研究者的关注,并对MFC的产电机理、产电微生物、电子传递机理、反应器结构、电极材料等进行了广泛的研究。有研究表明,影响MFC产电的主要因素有:产电微生物、外阻、基质种类和浓度、溶液的pH、温度、缓冲溶液等。为了更好地研究阳极,微生物燃料电池的阴极大多采用非生物阴极,如在阴极添加Pt作为氧气还原的催化剂以及采用过渡金属(Fe或者Co)化合物、铁氰化钾溶液等。二现阶段对微生物燃料电池的研究成果钟登杰等认为虽然非生物阴极具有良好的产电性能,但也存在催化剂价格昂贵、容易失效、需要经常替换等缺点，限制了非生物阴极微生物燃料电池的进一步发展。于是，研究者们开始致力于开发一种能够可持
15、续发展的微生物燃料电池。其中，生物阴极微生物燃料电池由于具有建造和运行费用低、可持续发展性强、可产生有用物质或者去除无用的化合物等优点而引起研究者们的关注。作者搭建了一个生物阴极微生物燃料电池,并以输出电压和库仑效率(CE)为指标，考察了外阻、基质浓度、缓冲溶液对MFC产电性能的影响。研究结果表明当外阻50时MFC能稳定运行。MFC的CE随着外阻的减小而增加。随着基质初始浓度的增加,MFC稳定运行的时间延长,但CE会降低。添加缓冲溶液有利于提高MFC的输出电压和CE,使阴极和阳极溶液的pH保持在中性附近,有利于微生物的生长。易丹等4321研究了厌氧活性污泥接种的双室微生物燃料电池分别供给以乙酸钠和淀粉为底物的人工配水的产电情况和有机物去除效果。结果表明，MFCs中能量的输出与底物的种类有关，使用乙酸钠和淀粉达到的最大输出电压分别为和V，最大功率密度分2别为和6132mW/m,简单底物的输出电压和功率密度高于复杂底物。MFCs在产电同时还可有效去除水中的有机物，288h时以乙酸钠和淀粉为底物的MFCs中TOC的去除率分别为%和%，NH3-N的去除率分别为%和%。扫描电镜发现，2种底物下MFCs阳极表面的微
