导读:本文包含了空气阴极论文开题报告文献综述、选题提纲参考文献及外文文献翻译，主要关键词:阴极,微生物,燃料电池,空气,电化学,曲线,小球藻。
空气阴极论文文献综述
徐成龙,程梦奇,张饮江,程梦雨,卢家磊[1]（2019）在《阳极进水COD浓度对叁室空气阴极微生物脱盐燃料电池性能的影响》一文中研究指出以厌氧污泥为接种微生物构建叁室空气阴极微生物脱盐燃料电池,研究阳极进水COD浓度对微生物脱盐燃料电池产电及脱盐性能的影响。结果表明,阳极进水COD浓度为800 mg/L,12 h后降解至100 mg/L以下,当在100～800 mg/L变化时,阳极出水COD浓度随进水COD浓度增加而增加,平均电压随进水COD浓度先上升后下降,脱盐率随进水COD浓度先增加后趋于平缓。阳极适量进水COD浓度有利于提高微生物脱盐燃料电池产电脱盐效率,研究结果为进一步优化微生物脱盐燃料电池反应器运行提供了参考。(本文来源于《应用化工》期刊2019年10期）
廖源[2]（2019）在《单室无膜空气阴极微生物燃料电池处理垃圾渗滤液的影响因素研究》一文中研究指出微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)作为一种新型的污水处理技术具有从多种污水中将有机污染物中的化学能转化为电能的能力,同时可以对污水进行有效的治理。相较于传统的污水处理技术,MFCs更为符合“清洁生产”的需求,对于这一技术的理论和实用性的研究,可以为推动我国污水处理技术进步提供动力。本文以单室无膜空气阴极MFCs作为研究对象,分别从MFCs阳极底物中垃圾渗滤液体积分数的变化和MFCs空气阴极制作方法的优化两方面展开研究,对不同运行条件下的MFCs产电性能和MFCs对阳极底物中垃圾渗滤液处理效果进行考察,分析研究单室无膜空气阴极微生物燃料电池处理垃圾渗滤液过程中的影响因素。首先以垃圾渗滤液为阳极底物构建了单室无膜空气阴极MFCs,通过设置阳极底物中垃圾渗滤液体积分数分别为20%、40%、60%、80%的1#到4#四组MFCs研究垃圾渗滤液体积分数对MFCs反应器产电性能和阳极底物进出液间pH值变化情况的影响。在四组MFCs反应器中,2#反应器的电池性能最好,稳定输出电压最大,4#反应器的稳定输出电压持续时间最长;开路电压(OCV)大小排序依次为OCV2>OCV3>OCV4>OCV1,其极化曲线均接近线性递减;随着圾渗滤液体积分数的增加,电池最大功率密度呈现先快速提高后逐渐降低的变化规律,其中2#反应器最大功率密度最大,1#反应器最大功率密度最小;电池内阻呈现先快速降低后逐渐升高的变化规律,其中2#反应器内阻最小,1#反应器内阻最大;对于四组MFCs反应器的库伦效率(CE),4#反应器的CE略高于1#、2#、3#反应器,各组间CE变化不大,整体呈现随着阳极底物中垃圾渗滤液的体积分数增大CE先降低而后升高的趋势。四组MFCs反应器阳极底物的出液与进液pH值相比均有一定程度的升高,其中2#反应器阳极底物的换出液与换入液pH值差异相对较大,其余叁组反应器中1#反应器阳极底物的换出液与换入液pH值差异较3#、4#反应器略小。进一步研究了垃圾渗滤液体积分数对MFCs反应器对垃圾渗滤液的处理效果的影响。四组MFCs反应器中2#反应器对阳极底物中COD的去除量和去除率均为最高,1#反应器对阳极底物中COD去除量最低,但COD去除率不是最低,3#、4#反应器的COD去除量相差不大,但COD去除率呈现随着电池阳极底物中垃圾渗滤液体积分数增大而降低的趋势。四组MFCs反应器对阳极底物垃圾渗滤液中氨氮去除量分别为159.864、347.425、509.245和695.332mg·L~(-1),去除率分别为79.93%、86.86%、84.87%和86.92%,各组反应器对阳极底物垃圾渗滤液中氨氮的去除效果较好且去除率无太大差异。后在传统空气阴极制作方法的基础上对其进行了初步优化,使用碳黑-PTFE混合物涂刷代替传统空气阴极制作扩散层所使用的单一PTFE乳液涂刷,并对空气阴极扩散层和催化层烧结工艺进行改善以简化空气阴极的制作流程,建立了新型空气阴极,使之在保持原有机械强度和对阳极室密封性的基础上提高了扩散层的导电性和导气性,同时降低了扩散层和催化层的成本。将新型空气阴极应用到MFCs反应器中与使用传统空气阴极的MFCs反应器进行对比分析,在稳定输出电压、最大功率密度、电流密度和电池内阻等几项电池产电性能的主要指标上,应用新型空气阴极的MFCs反应器都有优于应用传统空气阴极的MFCs反应器的表现,提高了MFCs反应器的产电性能。同时也对新型空气阴极的不足之处进行分析讨论。(本文来源于《安徽理工大学》期刊2019-06-05）
黄浩斌,成少安[3]（2019）在《单室空气阴极微生物燃料电池硝酸根去除系统的建立和性能研究》一文中研究指出本文以单室空气阴极微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)处理含不同浓度硝酸根的模拟废水,研究了NO~-_3-N初始浓度和开闭路培养方式对单室MFC的启动、硝酸根去除性能和产电性能的影响.结果表明,随着NO~-_3-N初始浓度的提高,MFC的NO~-_3-N平均去除速率达到稳定值所需时间增加,NO~-_3-N平均去除速率提高.当NO~-_3-N初始浓度为200 mg·L~(-1)时,闭路组MFC的NO~-_3-N平均去除速率达到(3.52±0.28) kg·m~(-3)·d~(-1),高于相近条件下许多传统生物反应器的NO~-_3-N平均去除速率.硝酸根去除过程主要发生在MFC运行周期的前期.硝酸根对阳极生物膜中主要产电菌Geobacter的生物量没有影响.当基质充足时,所有闭路组MFC的最大功率密度相近(～27 W·m~(-3)).闭路组MFC比开路组MFC具有更高的NO~-_3-N去除速率,可能与其阳极生物膜具有电化学还原亚硝酸根能力和Thauera易在其阳极上富集有关.(本文来源于《环境科学学报》期刊2019年06期）
黄浩斌[4]（2019）在《单室空气阴极微生物燃料电池反硝化系统构建与性能研究》一文中研究指出微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一种利用产电微生物同步去除废水中的污染物和产生电能的废水处理技术。单室MFC具有高效低成本脱氮的潜力。针对传统废水生物反硝化脱氮存在效率低和能耗大的问题,本论文以单室空气阴极MFC作为代表性的单室MFC,构建单室MFC反硝化系统,系统研究其产电性能和脱氮性能。单室MFC中同时发生产电和反硝化过程。微生物去除硝酸根和亚硝酸根的COD消耗量分别为4.33 g COD·g~(-1) NO_3~--N和2.60 g COD·g~(-1) NO_2~--N。当基质浓度高于微生物去除硝酸根和亚硝酸根所需基质浓度时,硝酸根和亚硝酸根导致MFC在硝酸根和亚硝酸根去除过程的电压下降,但不影响MFC在反硝化结束后的稳定电压和最大功率密度。在长期运行过程中,MFC在反硝化结束后的最大功率密度(>25 W·m~(-3))保持稳定。硝酸根和亚硝酸根抑制部分非产电菌的活性,减少非产电菌消耗的COD,从而可提高MFC在反硝化结束后的库仑效率。单室MFC中硝酸根和亚硝酸根均主要通过反硝化作用被还原为氮气。MFC建立性能稳定的反硝化系统所需时间随硝酸根和亚硝酸根初始浓度提高而提高。阳极初始具有产电生物膜可缩短MFC建立性能稳定的反硝化系统所需时间。闭路和开路下接种和运行的MFC(闭路组和开路组MFC)的硝酸根平均去除速率均随硝酸根初始浓度提高而提高,在2000 mg NO_3~--N·L~(-1)的硝酸根初始浓度下,闭路组MFC的硝酸根平均去除速率达到12.2±0.6 kg NO_3~--N·m~(-3)·d~(-1),高于开路组MFC(7.0±0.2 kg NO_3~--N·m~(-3)·d~(-1))和许多传统生物反应器。闭路组和开路组MFC的亚硝酸根平均去除速率均随亚硝酸根初始浓度提高而先提高后降低。当亚硝酸根初始浓度为500 mg NO_2~--N·L~(-1)时,闭路组和开路组MFC的亚硝酸根平均去除速率均达到最大值,分别为9.0±0.1和5.7±0.1 kg NO_2~--N·m~(-3)·d~(-1)。当亚硝酸根初始浓度达到1000 mg NO_2~--N·L~(-1),MFC的亚硝酸根平均去除速率随MFC运行周期数增加而持续下降,主要原因是游离亚硝酸抑制反硝化菌的活性。闭路组MFC的反硝化速率高于开路组MFC,与闭路组MFC阳极生物膜具有生物电化学还原亚硝酸根能力有关。以硝酸根为处理对象,闭路组MFC阳极微生物群落的主要产电菌和主要反硝化菌分别为Geobacter和Thauera。开路组MFC阳极微生物群落的主要反硝化菌为Azoarcus和Thauera。以亚硝酸根为处理对象,闭路组MFC阳极微生物群落的主要反硝化菌为Thauera,当亚硝酸根初始浓度不高于300 mg NO_2~--N·L~(-1)和达到500 mg NO_2~--N·L~(-1)时,主要产电菌分别为Geobacter和Geoalkalibacter。开路组MFC阳极微生物群落的主要反硝化菌为Azoarcus、Thauera和Paracoccus。随着硝酸根和亚硝酸根初始浓度提高,Thauera的相对丰度上升,生物量增加,Geobacter的相对丰度下降,但生物量变化不显着。Thauera易在阳极富集和来自Thauera的nirS相对丰度高也是闭路组MFC的反硝化速率高的原因。闭路组MFC中来自Geobacter、Geoalkalibacter和Thauera的导电菌毛基因的相对丰度高,说明Geobacter、Geoalkalibacter可能与Thauera通过导电菌毛建立互作关系,从而促进Thauera在MFC阳极上富集,加快MFC建立性能稳定的反硝化系统和提高MFC的反硝化速率。(本文来源于《浙江大学》期刊2019-01-01）
曹远福,郑凯凯[5]（2018）在《过渡金属掺杂的低Pt空气阴极微生物燃料电池的研究》一文中研究指出本文重点研究了过渡元素Co、Fe与Pt掺杂作为阴极催化剂时对阴极催化及全电池性能的影响。采用电化学工作站进行Pt/Co催化剂的电化学研究,在进行Pt/Co催化剂电化学分析时,得到电极上氧还原线性循环伏安描苗峰电流ip和扫描速率之间呈线性关系,表明氧在电极上的电还原是受表面控制的。测得电池的内阻约为1800Ω;当电压为88mV时,最大功率密度为588mW/m~2。(本文来源于《世界有色金属》期刊2018年18期）
杨伟[6]（2018）在《微生物燃料电池碳基空气阴极内传输特性与性能强化研究》一文中研究指出微生物燃料电池(MFC)是一种利用电化学活性细菌催化氧化有机物从而产生电能的装置。近年来MFC在污水处理方面得到了广泛的关注和研究。其中,单室空气阴极由于电极结构简单、直接利用空气中的氧气作为电子受体、阴极产物无污染等优势得到了重点的研究。目前,针对空气阴极MFC的研究主要集中于解决阴极氧还原(ORR)速率较慢、性能不佳等问题。研究从早期的贵金属催化剂发展到现在碳质催化剂,电池性能已经得到了明显提升;然而,使用碳催化剂的碳基空气阴极电催化活性依然较低,MFC功率输出远无法满足实际应用需求;另一方面,为了获得可观的阴极性能,研究中常采用极高载量的阴极碳催化剂,导致阴极催化层厚度较厚,严重制约了阴极中反应物和产物的传输,限制了廉价的碳基电极应用。本文针对碳基电极由于氧气和H~+(OH~-)供给不佳所导致的电化学性能限制问题,立足于碳基阴极的电化学催化和传输强化,并结合电化学相关理论,对单室碳基空气阴极MFC的电化学特性和传输机理展开研究。主要内容包括:(1)通过考察传统Pt/C和3种碳质催化剂(生物炭、氮掺杂碳和金属/氮掺杂碳)在典型MFC操作条件下(高S~(2-)和NH_4~+浓度)的稳定性和抗毒化特性,明确了碳质ORR催化剂在MFC操作条件下的适用性。(2)针对传统阴极Pt/C催化剂成本较高、稳定性较差和易被毒化等特点,分别构建了基于生物炭、氮掺杂碳凝胶和钴/氮掺杂碳纳米管的碳基空气阴极,并研究了其在MFC中的性能特性。(3)利用ZnO在高温条件下易于蒸发的特点以及纳米结构ZnO和石墨烯的抗菌特性,通过改善阴极催化层孔隙结构构建了具有强化离子传输、增加活性位点暴露和强抗菌能力的高性能空气阴极。(4)构建了基于瓦楞纸的无粘合剂空气阴极。通过材料和电化学表征,获得了该类阴极的性能特性。并基于无粘合剂思想构建了一体式空气阴极MFC,表征了其氧气传递、气液界面分布、电极微观结构及其表面化学特性,并测试了该一体式阴极MFC的极化特性、产电特性、COD去除率和库伦效率等参数。(5)构建了具有孔隙梯度结构的碳催化层空气阴极,并基于此建立了二维数学模型。通过模拟孔隙梯度催化层内部的氧气和OH~-浓度场,揭示了孔隙梯度催化层对强化催化层内氧气和OH~-传输特性以及阴极性能的影响规律。得到的主要结论如下:(1)不同碳基催化剂的稳定性和抗毒化研究发现:在NH_4~+和S~(2-)离子存在的情况下,碳质催化剂都表现出了比商业Pt/C催化剂更好的抗毒化能力。其中S~(2-)对ORR动力学的影响更为显着。碳催化剂在不同浓度NH_4~+和S~(2-)离子存在的条件下进行8 h恒电位放电后,均表现出了比Pt/C更优越的稳定性。(2)以生物炭催化剂制备载量为50 mg cm~(-2)的空气阴极在MFC中获得了1056±38 mW m~(-2)的最大功率密度;进一步增加生物炭催化剂N、P掺杂量,电池最大功率密度提高了65%(1719±82 mW m~(-2))。以氮富集碳凝胶制备载量为2 mg cm~(-2)的空气阴极在MFC中获得了与Pt/C相当的功率密度(1087 mW m~(-2)),说明高含氮的碳材料与生物炭相比,具有更优异的电子传递特性,从而促进了电极性能的提升。以钴/氮共掺杂碳纳米碳制备了载量为2 mg cm~(-2)的空气阴极,其最大功率密度较使用Pt/C催化剂的MFC性能高16.7%。(3)Co/Zn摩尔比对碳基催化剂的电催化活性和孔隙结构进行调控的研究中发现,当Co/Zn摩尔比为1/1,热解温度为800°C时,催化剂的电化学活性面积和离子扩散系数最大;同时,该催化剂能抑制希瓦氏菌(S.oneidensis)生物膜的成膜;以催化剂载量为1 mg cm~(-2)的空气阴极在MFC中实现了773 mW m~(-2)的功率密度输出,略高于Pt/C的功率密度输出(744 mW m~(-2));阴极生物量测试表明,该阴极表面生物膜的生物量为3.62±1.74 mg cm~(-2),远低于Pt/C阴极的11.41±2.05 mg cm~(-2),证明该催化剂具有较好的生物膜抑制特性,因此在持续运行过程中表现出了比Pt/C电极更优越的稳定性。(4)基于瓦楞纸构建了无粘合剂空气阴极。制备参数优化研究发现,700°C的热解温度可获得最佳性能,且阴极ORR主要以4e~-途径进行;基于上述阴极的MFC最大功率密度为830±15 mW m~(-2)。基于一体式叁维阴极MFC的优化研究发现,内径为35 mm的管式阴极具有丰富的孔隙结构、最佳的性能和最小的内阻。根据阴极优化结果,研究发现沿着溶液侧-气体侧方向电解液的润湿性逐渐降低,在阴极内部大部分区域形成了ORR的气-液-固叁相界面,而在阴极表面边缘附近形成用于气体传输的疏水孔道。通过对其氧扩散传输的测量发现,该阴极具有4.5×10~(-5) cm s~(-1)的氧传质系数。通过构建叁维一体式阴极MFC实现了40.4±1.5 W m~(-3)的最大功率密度输出、90.1±1.4%的COD去除率和55.8±1.0%的库伦效率。(5)通过对具有孔隙梯度催化层MFC阴极的数值模拟研究发现,该催化层结构能有效强化电化学反应过程中的OH~-和O_2传输,从而降低了阴极电化学反应过程中的浓差过电位,强化阴极性能。在MFC中,具有孔隙梯度催化层阴极的MFC最大功率密度可达1781±92 mW m~(-2),远高于没有孔隙梯度催化层的MFC(1183±205 mW m~(-2))。(本文来源于《重庆大学》期刊2018-11-01）
余琼,李明利,马兰,徐炜,李鹏[7]（2019）在《金属空气电池空气阴极的制备与性能》一文中研究指出制备出由防水透气层、催化层和导电层组成的叁相气体扩散空气电极,对其表面形貌和电化学性能进行测试。SEM结果显示空气电极整体上致密均匀,EDS分析表明C、Mn、La、Ca等元素在催化层表面均匀分布。通过极化曲线和放电曲线测试研究催化剂的含量和催化层的厚度对空气电极性能的影响。结果表明:二者都存在一个最佳值,当催化剂的质量分数为20%和催化层厚度为0.3 mm时,空气电极性能最佳。(本文来源于《兵器材料科学与工程》期刊2019年01期）
田雨时[8]（2018）在《空气阴极电絮凝系统优化及对污水中磷的去除效能研究国国家留学基金委―建设高水平大学公派研究生项目‖的资助。在赴美联合培养阶》一文中研究指出水环境中磷元素是是水体富营养化现象产生的限制因子,因此针对磷的深度去除就显得十分重要。传统水处理技术中主要依靠生物除磷和化学絮凝除磷,而化学除磷是作为深度处理的主要方法,但是由于化学药剂的过量添加、污泥处置以及二次污染的问题,磷的深度处理面临着挑战。电絮凝(Electrocoagulation,EC)技术多用于工业污水的处理,该技术具有去除污染物范围广,适用p H范围广,电极利用效率高,泥量小,形成的沉渣密实澄清效果好等特点。电絮凝作为一种电化学处理手段逐渐成为研究热点,但是由于其受限于反应机制的原因存在电能消耗大,电极钝化,处理效率低等问题,限制了其广泛的应用于水处理领域,因此本研究通过将新型空气阴极应用于电絮凝技术并开发了新的反应器构型通过对系统运行参数的优化,解决了传统电絮凝技术在应用过程中存在的最主要的高能耗问题,同时构建了新型空气阴极电絮凝系统,通过对反应器构型的设计,对该系统的电极材料和运行参数优化,针对磷的深度去除和处理过程中的效能特点开展了基础研究与应用基础研究,对于促进该技术的实际应用具有重要的现实意义。本研究基于单室微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)反应器结构,使用改良过的新型辊压式活性碳不锈钢网空气阴极构建了空气阴极电絮凝系统。辊压式活性碳不锈钢网空气阴极代替传统电絮凝技术中的金属电极,利用空气阴极能够进行自主"呼吸"的特点,避免了曝气所需要的能耗。使用铝网作为牺牲阳极,在空气阴极与牺牲阳极电极间距为1.5 cm,电流密度为8 m A/cm2,处理时间4 h,静置沉淀1 h的运行条件下,处理过程耗能为1.8 k W h/m3,COD出水浓度为130±5 mg/L,去除率为73%,TSS出水含量56±4 mg/L,去除率为72%,氨氮出水0.5±0.02 mg/L,去除率为99%,磷酸盐出水0.3±0.06 mg/L,去除率为99%。通过研究发现空气阴极电絮凝系统的去除效率受限于空气阴极的有效反应面积,其次由于反应器的构型,生成的沉淀会堆积在反应器底部,并且容易附着在空气阴极的表面,导致溶解氧的含量降低,在电极的局部发生短路的现象,导致了随着处理时间的延长,空气阴极电絮凝系统对污水中营养物质去除效果下降的现象。为了避免由于单室立方体空气阴极MFC反应器构型的原因,所导致的牺牲阳极与空气阴极之间形成局部的短路,致使电极消耗大、电能消耗升高,造成空气阴极电絮凝技术对磷去除的影响,研究通过设计新的反应器构型,解决了使用小型MFC立方体反应器在电絮凝过程中产生的絮体沉积在反应器的底部。通过对反应器构型的重新设计,构建了可堆栈式迁移电场辅助空气阴极电絮凝系统(Migration electric-field assisted electrocoagulation,MEAEC)。该技术通过石墨惰性电极与空气阴极的联用,利用辅助电场使带电电荷在液相中产生定向的移动,形成局部浓度梯度差,通过调整电极间距,在电场的作用下使牺牲阳极附近的离子浓度得到富集,利用脉冲的工作模式,进一步提高对磷元素的去除,通过以生成磷酸盐沉淀的形式从污水中去除,在相对较少的处理时间内以较低的能耗达到理想的磷酸根去除效率。在施加0.5 V的恒定电压下,惰性电极工作时间10 s,牺牲阳极的电流密度为1 m A/cm2,处理时间在15 min内,磷酸盐的去除高达98%,相较于实验的对照组(无迁移电场的施加)提高了6%,但是MEAEC系统的能耗仅为0.14 k Wh/m3。这些结果表明,与传统的从废水去除磷酸盐的电絮凝技术相比,MEAEC系统的使用可以有效地减少电能消耗并同时缩短处理时间。为了达到稳定长期运行的处理效果,以及获得更加理想的处理效能,研究对迁移电场辅助空气阴极电絮凝系统进行了优化。通过牺牲阳极材料的对比,对惰性电极材料从工程应用的角度进行了可行性的筛选,并对形成的沉淀产物组成进行了分析。研究使用MEAEC系统分别对污水处理厂初沉池污水和二沉池污水进行处理。最终作为惰性电极的钛板,相较于石墨片具有更强的耐久性和抗腐蚀的能力,而作为牺牲阳极材料,铁电极相较于铝电极更廉价且环境友好。铁牺牲阳极处理初沉池出水获得磷酸盐去除率98%,处理时间为7 min,耗能仅为0.039 kwh/m3。使用优化过的MEAEC系统对低浓度含磷污水的去除效果尤其显着,经过2 min Fe-MEAEC处理过的二沉池出水,磷酸盐的浓度为0.2mg/L,达到了地表四类水的标准<0.3 mg/L的要求。新型MEAEC系统的引入大大提高了电絮凝技术处理污水中磷酸盐的去除效率,缩短了整体的处理时间,在保证处理效果的同时,降低了电能的消耗,牺牲阳极材料得到最大化地利用。为构建运行能耗低、材料用量少、出水水质高的新型电絮凝技术,旨在降低水环境中的磷污染,减轻环境的负荷,为污水处理提供新的方法和思路。这种可堆栈式的结构和模块化的配置也更有利于实际工程应用的推广,使得MEAEC系统在生活污水处理领域中具有更好的应用前景。(本文来源于《哈尔滨工业大学》期刊2018-06-01）
范泽宇[9]（2018）在《基于微藻生物炭的空气阴极微生物燃料电池传输特性和阴极性能强化》一文中研究指出人类正在面临着水资源严重污染和世界能源短缺两大问题,为了能够同时解决这两个问题,微生物燃料电池技术得以提出。微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是微生物电化学能源转化技术的一种,它能在阳极产电微生物的催化作用下利用废水中有机物产生电能,在降解污水的同时回收电能,具有条件温和,稳定可靠,清洁高效,环境友好的特点。MFC一般可分为双室MFC和单室MFC两种,单室MFC相比于双室来说具有结构简单,易于加工等优点。同时单室MFC可以不使用质子交换膜,降低了电池传质阻力和成本,能够有效防止阳极酸化,并消除了阴极液污染阳极的隐患。单室MFC多采用空气阴极,这主要是因为空气中的氧气本身廉价易得,且不会增加额外的系统运行成本。因此,空气阴极的氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)催化性能及物质和电荷在阴极内的传输对MFC整体性能起到至关重要的影响。阴极氧还原反应包括两种反应途径,一种是氧气直接接受四个电子与氢离子反应生成水,另外一种是氧气接受两个电子,先生成中间产物过氧化氢,再接受两个电子进一步还原成水。四电子反应途径发生的过电位更低,有利于提升电池性能。目前,最常用的ORR催化剂是将铂纳米颗粒负载到高比表面积的碳黑上制成的ORR催化剂。铂催化剂可以保证氧还原反应是通过四电子途径进行的。然而铂催化剂并不适合应用在微生物燃料电池中,这主要是因为金属铂价格昂贵、储量有限,同时其比表面积较小,易受毒化失活,这些缺点会影响MFC大规模应用和长期运行下的电池性能。针对传统贵金属ORR催化剂存在的不足和缺点,本文从降低ORR催化剂成本,强化ORR催化剂活性,构建有利于物质传输的催化电极叁个角度出发,分别制备出高性能氮元素自掺杂碳质ORR催化剂,Fe/N-C型ORR催化剂,以及一体式管式空气阴极,对催化剂及空气阴极的物理化学性质进行表征,对组装好的MFC的物质传输特性和性能特性进行了实验研究和分析。研究主要内容包括:(1)利用蛋白核小球藻作为前驱体,采用一步法制备出氮元素自掺杂碳质ORR催化剂,研究了碳化温度对催化剂孔隙结构、石墨化程度、杂原子掺杂效果的影响,进而研究用催化剂制作的空气阴极在MFC实际运行工况下的传输特性和产电性能;(2)基于蛋白核小球藻,采用水热或直接碳化的方法掺杂铁元素制备出Fe/N-C型ORR催化剂,研究了铁离子价态和浓度对催化剂孔隙结构、表面缺陷程度、杂原子掺杂效果的影响,同时研究了用催化剂制作的空气阴极在MFC运行工况下的传输特性和产电性能;(3)构建了具有一体式管式空气阴极的微生物燃料电池,研究了阴极制备方法对空气阴极孔隙结构和催化性能的影响,进而研究了空气阴极孔隙结构对产电性能的影响。主要研究成果如下:1)蛋白核小球藻作为一种富含氮元素的天然生物质材料,可以作为制备氮元素自掺杂ORR催化剂的前驱体。碳化温度对催化剂ORR催化性能有很大的影响,主要表现在:随着碳化温度升高,催化剂石墨化程度逐渐升高,催化剂导电能力逐渐增强;碳化温度升高导致氮元素掺杂总量开始降低,但是吡啶氮(Pyridinic-N)和石墨氮(Graphitic-N)这两种用有利于ORR反应进行的官能团所占比例升高;随着碳化温度的升高,催化剂比表面积呈现出先增加后减小的趋势,这主要是由于温度的升高造成了更多的微孔向大孔进行转换。综合以上因素的影响,催化剂催化性能随温度升高呈现出先增加后降低的趋势,在900~oC碳化条件下制备出的催化剂(CP900)表现出最优的催化性能。在实际MFC运行工况下,负载CP900催化剂的MFC的最大功率密度为2068±30 mW·m~(-2),比负载同等载量Pt/C催化剂的MFC的最大功率密度(1826±37 mW·m~(-2))高出13%。2)以蛋白核小球藻为前驱体,混合不同价态铁盐(FeCl_2和FeCl_3)直接碳化制备出Fe/N-C型ORR催化剂。研究发现铁元素的加入会降低氮元素的掺杂含量,同时铁元素的价态对形成的含氮官能团种类有影响,具体表现为Fe~(3+)更有利于形成具有ORR催化活性的pyridinic-N官能团。此外铁元素的价态对催化剂孔隙结构和表面缺陷程度均有影响。实验获得的CP-FeCl_3催化剂在实际MFC中获得了更高的最大功率密度2358.37±90 mW m~(-2)。3)在水热碳化过程中掺杂铁元素可以进一步强化催化剂ORR催化性能。铁元素的价态在水热碳化过程中对催化剂的性能有着重要的影响。实验结果表明水热Fe~(2+)会形成碳包裹铁氧化物纳米颗粒作为ORR催化活性位点,同时Fe~(2+)会使催化剂表面形成更多的微孔和介孔,提高电化学反应面积的同时强化物质在电极催化层内的传输。在50 mM磷酸缓冲液中,对催化剂进行旋转环盘测试,CP-HT-FeCl_2(水热二价铁制备的样品)表现出最高的ORR催化活性。在实际MFC运行工况下,负载CP-HT-FeCl_2催化剂的MFC的最大功率密度为2739.8±160 mW m~(-2),比负载同等载量Pt/C催化剂的MFC的最大功率密度(1826±37 mW·m~(-2))高出50%。4)研究了水热过程中Fe~(2+)离子浓度对催化剂铁元素掺杂效果的影响,实验中发现铁元素掺杂含量随离子浓度的增加先升高再降低。另外Fe~(2+)离子浓度对催化剂微观形貌,孔隙结构以及含铁官能团种类都有影响。实验还发现铁元素的掺杂含量与空气阴极性能呈正比关系,表明了含铁官能团是空气阴极中促进ORR反应的决定性因素。5)利用琼脂凝胶特性以及冷冻干燥造孔的方法制备出一体式管式空气阴极,通过强化空气阴极ORR催化活性和强化空气阴极内部物质传输两个方面强化空气阴极MFC产电性能。获得的管式空气阴极有丰富的连通孔隙结构,保证了物质在电极内的传输效率。另外对比了水热Fe~(3+)和直接碳化过程对管式空气阴极ORR催化剂性能的影响,发现水热Fe~(3+)可以促进空气阴极表面形成更多缺陷,以及在碳骨架上形成碳颗粒结构,管式空气阴极微孔、介孔和大孔孔容都有提升。另外铁元素的掺杂使得CPT-HT-Fe获得了更高含量的pyridinic-N和graphitic-N官能团。以上所有因素导致CPT-HT-Fe获得了更高的ORR催化活性,在组装成MFC后,CPT-HT-Fe空气阴极获得了最高的最大功率密度值112.5 mW m~(-3),高于Pt/C空气阴极的最大功率密度81.5 mW m~(-3)。这表明了CPT-HT-Fe是一种有广阔应用前景的空气阴极。(本文来源于《重庆大学》期刊2018-04-01）
李骏辉,王鑫,周乐安,安敬昆,李田[10]（2017）在《KOH活化活性炭提升辊压空气阴极微生物燃料电池性能》一文中研究指出目前阴极性能是限制微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)输出功率的主要瓶颈。为进一步提高MFC的性能,利用固体KOH在400~800℃下对活性炭活化并将其制成辊压空气阴极。最终筛选出碱炭比1∶1,活化温度500℃样品AC-500为最佳处理条件。以乙酸钠为底物,MFC最高功率密度为1 894 mW·m~(-2),比未处理AC(1 481 mW·m~(-2))提高了28%。活性炭经过熔融KOH的刻蚀活化,孔径分布和表面元素发生变化可能促进了阴极内部的传质过程,提高了空气阴极的催化性能。(本文来源于《环境工程学报》期刊2017年10期）
空气阴极论文开题报告
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)作为一种新型的污水处理技术具有从多种污水中将有机污染物中的化学能转化为电能的能力,同时可以对污水进行有效的治理。相较于传统的污水处理技术,MFCs更为符合“清洁生产”的需求,对于这一技术的理论和实用性的研究,可以为推动我国污水处理技术进步提供动力。本文以单室无膜空气阴极MFCs作为研究对象,分别从MFCs阳极底物中垃圾渗滤液体积分数的变化和MFCs空气阴极制作方法的优化两方面展开研究,对不同运行条件下的MFCs产电性能和MFCs对阳极底物中垃圾渗滤液处理效果进行考察,分析研究单室无膜空气阴极微生物燃料电池处理垃圾渗滤液过程中的影响因素。首先以垃圾渗滤液为阳极底物构建了单室无膜空气阴极MFCs,通过设置阳极底物中垃圾渗滤液体积分数分别为20%、40%、60%、80%的1#到4#四组MFCs研究垃圾渗滤液体积分数对MFCs反应器产电性能和阳极底物进出液间pH值变化情况的影响。在四组MFCs反应器中,2#反应器的电池性能最好,稳定输出电压最大,4#反应器的稳定输出电压持续时间最长;开路电压(OCV)大小排序依次为OCV2>OCV3>OCV4>OCV1,其极化曲线均接近线性递减;随着圾渗滤液体积分数的增加,电池最大功率密度呈现先快速提高后逐渐降低的变化规律,其中2#反应器最大功率密度最大,1#反应器最大功率密度最小;电池内阻呈现先快速降低后逐渐升高的变化规律,其中2#反应器内阻最小,1#反应器内阻最大;对于四组MFCs反应器的库伦效率(CE),4#反应器的CE略高于1#、2#、3#反应器,各组间CE变化不大,整体呈现随着阳极底物中垃圾渗滤液的体积分数增大CE先降低而后升高的趋势。四组MFCs反应器阳极底物的出液与进液pH值相比均有一定程度的升高,其中2#反应器阳极底物的换出液与换入液pH值差异相对较大,其余叁组反应器中1#反应器阳极底物的换出液与换入液pH值差异较3#、4#反应器略小。进一步研究了垃圾渗滤液体积分数对MFCs反应器对垃圾渗滤液的处理效果的影响。四组MFCs反应器中2#反应器对阳极底物中COD的去除量和去除率均为最高,1#反应器对阳极底物中COD去除量最低,但COD去除率不是最低,3#、4#反应器的COD去除量相差不大,但COD去除率呈现随着电池阳极底物中垃圾渗滤液体积分数增大而降低的趋势。四组MFCs反应器对阳极底物垃圾渗滤液中氨氮去除量分别为159.864、347.425、509.245和695.332mg·L~(-1),去除率分别为79.93%、86.86%、84.87%和86.92%,各组反应器对阳极底物垃圾渗滤液中氨氮的去除效果较好且去除率无太大差异。后在传统空气阴极制作方法的基础上对其进行了初步优化,使用碳黑-PTFE混合物涂刷代替传统空气阴极制作扩散层所使用的单一PTFE乳液涂刷,并对空气阴极扩散层和催化层烧结工艺进行改善以简化空气阴极的制作流程,建立了新型空气阴极,使之在保持原有机械强度和对阳极室密封性的基础上提高了扩散层的导电性和导气性,同时降低了扩散层和催化层的成本。将新型空气阴极应用到MFCs反应器中与使用传统空气阴极的MFCs反应器进行对比分析,在稳定输出电压、最大功率密度、电流密度和电池内阻等几项电池产电性能的主要指标上,应用新型空气阴极的MFCs反应器都有优于应用传统空气阴极的MFCs反应器的表现,提高了MFCs反应器的产电性能。同时也对新型空气阴极的不足之处进行分析讨论。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
空气阴极论文参考文献
[1].徐成龙,程梦奇,张饮江,程梦雨,卢家磊.阳极进水COD浓度对叁室空气阴极微生物脱盐燃料电池性能的影响[J].应用化工.2019
[2].廖源.单室无膜空气阴极微生物燃料电池处理垃圾渗滤液的影响因素研究[D].安徽理工大学.2019
[3].黄浩斌,成少安.单室空气阴极微生物燃料电池硝酸根去除系统的建立和性能研究[J].环境科学学报.2019
[4].黄浩斌.单室空气阴极微生物燃料电池反硝化系统构建与性能研究[D].浙江大学.2019
[5].曹远福,郑凯凯.过渡金属掺杂的低Pt空气阴极微生物燃料电池的研究[J].世界有色金属.2018
[6].杨伟.微生物燃料电池碳基空气阴极内传输特性与性能强化研究[D].重庆大学.2018
[7].余琼,李明利,马兰,徐炜,李鹏.金属空气电池空气阴极的制备与性能[J].兵器材料科学与工程.2019
[8].田雨时.空气阴极电絮凝系统优化及对污水中磷的去除效能研究国国家留学基金委―建设高水平大学公派研究生项目‖的资助。在赴美联合培养阶[D].哈尔滨工业大学.2018
[9].范泽宇.基于微藻生物炭的空气阴极微生物燃料电池传输特性和阴极性能强化[D].重庆大学.2018
[10].李骏辉,王鑫,周乐安,安敬昆,李田.KOH活化活性炭提升辊压空气阴极微生物燃料电池性能[J].环境工程学报.2017
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