石墨烯修饰微生物燃料电池阳极的研究.doc

中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123167
石墨烯修饰微生物燃料电池阳极的研究
侯俊先,刘中良*,张培远
(北京工业大学环境与能源工程学院教育部传热强化与过程节能重点试验室,北京 100124)
(Tel:010–67391917;E-mail: ******@bjut.)
摘要:石墨烯由于具有优异的导电性、高的比表面积、好的生物相容性,受到各界广泛关注。本文利用肼化学还原法得到比表面积为535m2/g的石墨烯,利用此石墨烯修饰碳布(GNS-Anode)作为微生物燃料电池阳极,并与多壁碳纳米管修饰的阳极(T-Anode)和未修饰的阳极(Bare-Anode)进行了详细的比较。装配GNS-Anode运行的微生物燃料电池获得的最大功率密度为602mW/m2,T- Anode和Bare- ,原因是因为石墨烯高的比表面积、优异的导电性和好的生物相容性。碳纳米管和石墨烯的形貌和特性采用SEM、BET、TEM、XRD表征。电极的电化学性质利用循环伏安法(CV)和交流阻抗谱(EIS)衡量。
关键词:石墨烯;碳纳米管;微生物燃料电池;比表面积;功率密度
0 前言
微生物燃料电池(Microbial fuel cell,简称MFC)是一种在净化污水的同时产生电能的新技术,它是利用微生物将生物质转化为电能的装置[1]。在污水处理[2]、微生物传感器[3]、海水淡化[4]、电解制氢[5]等方面具有巨大的应用潜力。然而,输出功率密度低限制微生物燃料电池在实际中的应用。近年来,对微生物燃料电池的研究集中在构型的改进、运行条件优化、微生物产电机理探讨、新型电极材料等。开发高性能的阳极材料对提高微生物燃料电池的功率输出至关重要。好的阳极材料要求具有良好的导电性,生物相容性和大的比表面积等[6]。
传统的微生物燃料电池的电极材料包括碳布、碳毡、碳纸、不锈钢网等[6]。然而普通碳材料表面的电催化活性以及电子传递能力都较差,微生物细菌代谢过程产生的电子要跃迁到普通碳材料电极上需要消耗较高的能量,造成较大的阳极活化过电势。为了减少阳极活化过电势,进一步改善电池阳极的产电性能,必需对普通碳材料电极的表面进行处理或者修饰。随着材料科学的发展,纳米材料已被应用于微生物燃料电池的阳极的修饰,并且显著的提高了微生物燃料电池的功率输出[7]。例如,碳纳米管[8] 、氧化钌[9] 、聚合物[10]以及碳纳米管与聚合何物的合成材料[11]等
石墨烯是仅由一层碳原子构成的石墨薄片,具有高比表面积[12](理论值为2630m2/g)、优异的导电性、高机械强度、电催化活性等受到各领域的广泛关注,例如在传感器[13] 、锂离子电池[14] 、太阳能电池[15] 、超级电容器[15]等方面的应用研究。近期,石墨烯也开始应用到微生物燃料电池电极中。Zhang[16]等利用比表面积为265 m2/g石墨烯修饰不锈钢网作为阳极,获得最大的电流密度是2668mW/m2,分别是聚四氟乙烯修饰的不锈钢网和未修饰的不锈钢网做为阳极的17倍和18倍, 原因是石墨烯修饰阳极大大提高了阳极的比表面积,增加了微生物在阳极上的附着量,从而提高了能量输
。Xiao[17]对比了褶皱的石墨烯与片状石墨烯修饰MFC阳极的性能,并与活性炭修饰的MFC阳极作为比较,最大功率密度分