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摘 要

微生物燃料电池（Microbial fuel cell,简称 MFC）是近年来在环境保护和能源领域的一项新兴技术，它能利用微生物活动将有机物氧化分解，同时产生电能。该技术将有机物中的化学能直接转化为电能，在污水的处理与同步产电有巨大潜力。目前，限制 MFC实际应用的瓶颈主要还是其产电低和造价高，而电极材料则是决定 MFC 产电性能和成本的关键因素。在微生物燃料电池（MFC） 中,以氧为电子受体具有很多优点，但氧阴极还原的反应速率慢，会造成阴极电势的损失。因此，提高阴极对氧还原的电催化活性和降低催化剂的价格是MFC非生物阴极催化剂的研究重点之一。本文综述了近年来MFC中非生物阴极氧还原催化剂的研究进展。重点讨论了贵金属Pt/C 、石墨烯（NGO）、碳纳米管（NCNT）、负载钴氧化物的石墨烯（Co₃O₄/NGO）和负载钴氧化物的碳纳米管（Co₃O₄/NCNT）对氧还原的电催化活性。实验数据表明，Pt、Co₃O₄/NGO和Co₃O₄/NCNT的最大功率密度分别为603(mW m^-2)、302(mW m^-2)和469(mW m^-2)，由此可看出Co₃O₄/NCNT催化剂的催化效果最接近于贵金属催化剂Pt/C，而且价格低廉，有望成为MFC非生物阴极Pt基催化剂的替代催化剂。

关键词：微生物燃料电池， 阴极催化剂， 氧还原， 电催化活性

Microbial fuel cell cathode catalyst research

Abstract

Microbial fuel cell (Microbial fuel cell, referred to as MFC) is an emerging technology in recent years in the field of environmental protection and energy, which can take advantage of microbial activity oxidative decomposition of organic matter, while generating electricity.. The technology can make the chemical energy in the organic matter directly into electricity and has great potential in sewage treatment and synchronization electricity production . Currently, the main restricted the bottleneck of MFC practical application is its high cost and low production of electricity, the electrode material is a key factor in the performance and the cost of MFC decision.. In a microbial fuel cell (MFC), oxygen as electron acceptor has many advantages, but the oxygen cathodic reduction reaction rate is slow, will cause the loss of the cathode.. As a result, improve the cathode catalytic activity for oxygen reduction of electricity and reduce the price of catalyst is one of the focuses on MFC non-biological cathode catalyst. This paper reviews the research progress of abiotic cathode oxygen reduction catalyst for the past few years in MFC. Focused on the precious metals Pt / C, graphene (NGO), carbon nanotubes (NCNT), load cobalt oxide graphene (Co₃O₄/NGO) and load cobalt oxide nanotubes (Co₃O₄/NCNT) for the oxygen reduction the electro-catalytic activity. Experimental data show that the Pt, Co₃O₄ / NGO and Co₃O₄ / NCNT maximum power density respectively 603 (mW m^-2), 302(mW m^-2) and 469 (mW m^-2), you can see the Co₃O₄ / NCNT catalyst of catalytic effect is the most close to the precious metal catalyst Pt/C, and the price is low, is expected to become the MFC non-biological cathode catalysts instead of Pt catalyst.

Keywords: Microbial Fuel Cell (MFC)、Cathode catalyst、Oxygen reduction、 Electro-catalytic activity

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 能源发展与环境问题 1

1.2 微生物燃料电池 1

1.2.1 微生物燃料电池的发展简史 1

1.2.2 微生物燃料电池的种类 2

1.2.3 微生物燃料电池的工作原理 3

1.2.4 微生物燃料电池的优势 4

1.3 微生物电池阴极催化剂 5

1.3.1 贵金属 Pt催化剂 5

1.3.2 过渡金属大环化合物催化剂 5

1.3.3 金属氧化物 6

1.4 催化剂载体 6

1.4.1 石墨烯 6

1.4.2 碳纳米管 6

1.4.3 碳基纳米材料 7

1.5 微生物燃料电池的应用前景 7

1.6 本课题研究内容、目的及意义 8

1.6.1 本课题研究目的及意义 8

1.6.2 本课题的主要研究内容 8

第二章 实验材料和方法 9

2.1 实验材料 9

2.1.1 主要试剂及仪器 9

2.2 实验方法 10

2.2.1 MFC结构 10

2.2.2 空气阴极电极制备 10

2.2.3 MFC的运行及其启动运行 10

2.2.4 测定指标及方法 10

2.2.5 实验内容 11

第三章 实验结果与分析 12

3.1 各周期电压输出情况 12

3.2 输出功率的比较 13

3.3 极化曲线 14

3.4 电极电位 15

第四章 结论与展望 16

4.1 结论 16

4.2 展望 16

参考文献 17

致 谢 19

第一章 文献综述

1.1 能源发展与环境问题

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