浅议化学氧化改性对碳毡空气阴极表面特征的影响

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1、浅议化学氧化改性对碳毡空气阴极表面特征的影响ok3L（内径为2cm，高为11.5cm），为确保阳极室的厌氧环境，用密封柱密封。阴极在阳极室外侧壁围绕。装置总容积为3.92L，密封盖上有阳极孔、阴极孔及检测孔，以便用铜导线、鳄鱼夹来连接外电路，外接1000Ω电阻作为负载。进水口设计在底部中央，制备成无膜上升流式反应器。阳极是直径为1cm的碳棒，阴极是厚度为3cm的碳毡，输出电压由万用表采集。　　1.2原水水质及运行参数　　垃圾渗滤液取自沈阳市老虎冲垃圾填埋场的集水井，其水质如表1所示。接种微生物为取自UASB反应器中的厌氧颗粒污泥，接种量为25mL。启

2、动期的进水流量控制在30mL/h，COD约为500mg/L。稳定运行后进水流量逐步提升到90mL/h，COD提升到1500mg/L。　　装置在32℃下恒温运行。MFC接种厌氧污泥后，先用COD为1000mg/L的垃圾渗滤液驯化一个周期，使阳极的产电微生物成功挂膜，MFC运行稳定后，再以COD为1500mg/L的垃圾渗滤液作为阳极进水。　　1.3改性碳毡空气阴极的制备　　阴极预处理：将碳毡剪成所需尺寸，然后浸泡在1mol/L的盐酸溶液中，目的是去除碳毡中的杂质离子，24h后取出，用去离子水反复清洗直至清洗液为中性，放入105℃烘箱中干燥2h。　　碳毡改

3、性：将预处理过的碳毡浸入65%～68%的浓硝酸中，用水浴加热至75℃，处理不同时间后取出并用蒸馏水反复清洗直至清洗液为中性，放入105℃烘箱中干燥2h。　　催化剂吸附：将经改性后的碳毡放入Fe/C催化剂溶液（硝酸铁浓度为0.25mol/L，活性炭粉为1g）中，于磁力搅拌器上搅拌30min，然后取出碳毡放入105℃烘箱中烘干。　　1.4分析项目和方法　　外电阻R通过可调电阻箱控制，电压由万用表直接读取，功率密度P通过公式P=U2/RV计算得到，其中U为电池电压，V为阳极室体积。　　表观内阻采用稳态放电法测定。　　循环伏安测试以饱和甘汞电极作为参比电极，

4、采用传统三电极体系，电化学工作站为EC705型。　　电极电导率采用伏特计测定，COD采用快速密闭消解法测定，NH+4-N采用纳氏试剂光度法测定。　　2结果与讨论　　2.1改性时间对催化剂担载量的影响　　电极表面催化剂担载量是影响电极性能的直接因素，而化学改性将影响电极吸附催化剂的担载量（如表2所示）。碳毡经过HNO3化学氧化处理不同时间后，其质量均出现一定程度的减少，且随着处理时间的增加，单位质量碳毡减少量也逐步增加，同时，单位质量碳毡所吸附催化剂的量也增加。这是由于HNO3的氧化作用使碳毡结构发生了变化，表面沟壑加深加密，粗糙度和表面积增加。同时碳

5、毡表面的H+易被催化剂Fe3+取代，也有利于阴极催化剂的吸附。　　2.2化学改性时间对电导率的影响　　电极电导率是表征电极性能的重要参数之一。考察了碳毡空气阴极化学改性时间对其电导率的影响，结果如图1所示。【图1】　　从图1可以看出，经改性后碳毡空气阴极的电导率明显提高，且随着处理时间的增加，电导率升高，当化学改性时间达到6h后，电导率趋于稳定。　　这是因为碳毡具有石墨层状结构，层与层之间主要是以范德华力相结合，故层间较易引入其他分子、原子或离子而形[1][2][3]下一页ok3L/h，反应温度为32℃。从图2可以看出，经HNO3改性的碳毡空气阴极M

6、FC的极化都经历了活化极化、欧姆极化和浓度极化三个阶段。随着HNO3改性时间的延长，活化极化、欧姆极化和浓度极化损耗逐渐减小，电池的极化曲线斜率逐渐减小，即表观内阻逐渐降低；当改性时间为6h时，极化曲线斜率达到最小，表明此时表观内阻最小（358Ω）。之后，随改性时间的增加，极化曲线斜率增大，即表观内阻增大。【图2-3】　　由表1可以看出，阴极催化剂担载量随着改性时间的延长而不断增加，这说明随着催化剂量的增多，促进了阴极反应的进行，从而降低了电池的表观内阻。但是催化剂量并不是越多越好，过多反而会增加电池的内阻，从而降低了其产电性能。【表1】　　从图2还

7、可知，经HNO3处理过的碳毡阴极MFC的极化曲线斜率明显小于未处理过的碳毡阴极MFC的（未处理时MFC的表观内阻为1423Ω），说明通过HNO3化学氧化碳毡，可以有效减小MFC的表观内阻。　　由图3可以看出，随着处理时间的增加，电池的功率密度同样经历了一个先增高再降低的过程，与图2的规律基本一致。其中当处理时间为6h时，电池的产电性能最好，最大功率密度达到6265.67mFC的最大功率密度（1838.46mFC产电性能的有效方式之一。　　2.3.2对CV曲线的影响　　循环伏安法（CV）是表征MFC放电容量的重要方法之一。化学改性碳毡空气阴极MFC的C

8、V曲线如图4所示。其中，扫描速度为50mV/s，扫描范围为-1～1V。扫描曲线以下的积分面积代表了电池的放电