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摘 要

如何提高微生物燃料电池（MFC）的转化效率是微生物燃料电池中研究的重点。除了优化菌种以外，对微生物燃料电池的电极进行优化也是十分关键的点，其中阳极材料的优化是最为重要的。本实验，决定采用FeCl₃和氧化石墨烯（GrO）作为原材料用水热还原法制作Fe₃O₄-石墨烯纳米材料。本实验主要探究不同的六水合三氯化铁及氧化石墨烯的质量比对阳极导电性的影响。从而得到在本实验条件下微生物燃料电池的电压，电流密度，功率密度等参数得以最优。通过实验我们发现在较高的三氯化铁的配比下，电池表现出更加优异的工作表现。实验中随着加入氧化石墨烯：三氯化铁比例由空白、1：0.5、1：1、1：2的提高，电池平稳期的电压对应的为0.48V、0.56V、0.57V、0.59V,是空白对照组电压的1.17倍，1.19倍和1.23倍。最大输出功率分别为174mW/m²、296mW/m²、334mW/m²、377mW/m²。是空白对照组输出功率的1.7倍，1.9倍和2.2倍。

关键词：微生物燃料电池 阳极材料 Fe₃O₄-石墨烯

The study Fe3O4-Graphene Modified Anodes Improve MFC Performance

Abstract

How to improve the conversion efficiency of microbial fuel cells (MFC) is the focus of research in microbial fuel cells. In addition to optimizing the strains, optimization of the electrodes of microbial fuel cells is also a key point, and the optimization of anode materials is the most important. In this experiment, it was decided to use FeCl3 and graphene oxide (GrO) as raw materials for hydrothermal reduction of Fe3O4-graphene nanomaterials. This experiment mainly explores the effect of different mass ratios of iron trichloride hexahydrate and graphene oxide on the anode conductivity. Thus, the parameters such as voltage, current density and power density of the microbial fuel cell under this experimental condition were optimized. Through experiments, we found that the battery exhibited more excellent performance under the higher ferric chloride ratio. With the addition of graphene oxide in the experiment: the ratio of ferric chloride was increased by the blank, 1:0.5, 1:1, and 1:2, and the voltage at the stationary phase of the battery was 0.48V, 0.56V, 0.57V, and 0.59V. , which is 1.17 times, 1.19 times, and 1.23 times the voltage of the blank control group. The maximum output power is 174mW/m2, 296mW/m2, 334mW/m2, 377mW/m2, respectively. It is 1.7 times, 1.9 times and 2.2 times the output power of the blank control group.

Key words:Microbial fuel cell ;Anode material; Fe₃O₄-graphene

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 综述 1

1.1 选题的目的 1

1.2 微生物燃料电池的工作原理 2

1.3 MFC及其阳极材料研究现状、水平及发展趋势 3

第二章 实验材料与方法 6

2.1试验材料 6

2.1.1试验试剂 6

2.1.2 实验仪器 6

2.1.3 实验耗材 7

2.2试验方法 7

2.2.1碳毡和质子膜的预处理 7

2.2.2 电极材料（Fe₃O₄-石墨烯碳毡）的制备 7

2.2.3 MFC阴阳极培养液的配制 8

2.2.4微生物燃料电池的组装 8

2.2.5电压测试以及输出功率计算 9

第三章 结果与分析 10

3.1数据收集和作图 10

3.1.1 TEM电镜图 10

3.1.2电压-时间曲线图 10

3.1.3功率密度-电流密度曲线图 12

3.1.4伏安循环曲线 12

3.1.5极化曲线 13

3.2总结分析 13

第四章 问题与展望 15

参考文献 16

致谢 20

第一章 综述

1.1 选题的目的

人类的生存与发展离不开能源，能源作为推动社会经济飞速发展的物质基础，与人类的生存息息相关，人类文明社会的发展始终伴随着能源的开发与利用。目前，地球上的总人口数量已逾60亿，并预计在2050年达到94亿^[1]。而在过去的一个世纪里，化石能源支撑着人类工业与经济建设的发展，可以预见，随着人口的不断增加，人类对于资源的需求将成倍增加，这其中资源主要还是依赖化石能源 。但是，化石能源是有限且不可再生的，按照人类当前对化石能源逐年增加的需求量来看，全球化石能源将在21世纪被消耗殆尽^[2]。与此同时，不合理的开发与利用化石能源，造成大量的环境污染问题，严重威胁人类的生存环境。当前人类社会所面临着诸多环境污染问题，其中大气污染、固体废弃物污染、水污染、全球气温上升，极端气候频发，生态环境严重破坏，这些都与能源的不合理开采，加工，滥用等密切相关。因此，如何处理好“能源危机”与“环境问题”成为国际社会共同面临的现实问题。人们己经强烈地意识到，仅仅依赖于开发化石能源来支撑人类经济社会发展的道路是行不通的。因此，人类必须寻找与开发出化石能源的替代品，即环保又可持续的绿色能源，不仅同时解决人类的能源问题与环境问题，还大大改善了人类生存空间与生活质量。

在寻找与开发绿色能源的过程中，大量的研究者将目光转向环保且可再生的生物质能上。研究发现，微生物可以将生物质能来转化为电能，相较于化石燃料，生物质不仅来源广泛而且可再生，发电的同时降解有机废物，因此这一研究发现受到了广泛的关注。目前，生物质能源的开发已在沼气发酵、燃料乙醇、生物柴油，生物质固化成型技术和生物质发电技术等方面得到了实际规模化的运用。

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