石墨烯基阳极材料的构建以及在微生物燃料电池中的应用

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1、学校代码：10259学号：156061113密级：公开上海应用技术大学硕士学位论文题目：石墨烯基阳极材料的构建以及在微生物燃料电池中的应用英文题目：TheConstructionofGraphene-basedAnodeMaterialsandTheirApplicationinMicrobialFuelCells专业：化学工程学院：化学与环境工程学院研究方向：微生物燃料电池姓名：王成显指导教师：韩生教授、于飞副教授2018年5月16日声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不包

2、含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位论文保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。允许论文被查阅和借阅。本人授权上海应用技术学院可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密年□本学位论文属于不保密（必须在相应处打√，否则按不保密处理）学位论文作者签名：指导教

3、师签名：年月日年月日石墨烯基材料的构建以及微生物燃料电池中的应用摘要随着全球经济的迅猛发展，人们对能源的依赖愈来愈严重，面对日益枯竭的化石能源，探索开发新型可持续新型能源结构是当前科研人员亟待攻克的研究难题之一。微生物燃料电池（Microbialfuelcell，MFC）是一种可以将环境污染与新能源相结合的技术，主要利用微生物的新陈代谢，降解有机污染物，同时产生电子和质子，从而实现将储存在有机污染物中的化学能转化为电能的目的。阳极电极材料是提高MFC产电能力的最关键因素之一，主要包括阳极材料的电子转移能力、生物相容性以及比表面积等因素。本文主要设计构建了多种

4、石墨烯基材料，主要包括电容增强的石墨烯气凝胶、磁性石墨烯凝胶球以及磁性石墨烯海绵等体系。本文通过简单易行的方法构建了电容增强的石墨烯气凝胶、磁性石墨烯凝胶球以及磁性石墨烯海绵，作为MFC的阳极材料，并利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线电子能谱仪、热重分析及磁滞回线等现代科学手段对电极材料的物理性质进行表征分析，采用了循环伏安曲线、交流阻抗谱图和塔菲尔曲线等电化学测试手段对电极材料的电化学特性进行研究，主要研究结果如下：（1）为了统一评价MFC的产电稳定性，论文提出了关于长期产电稳定性（Long-timeelectricitygenerationsta

5、bility，LEGS）的定义，即在一个产电循环周期中最大电压20%的波动范围内的时间跨度。电容增强的石墨烯气凝胶（GA）具有较大的比表面积，提高了产电微生物的附着生长量，使MFC的最大输出电压、最大功率密度分别为488mV和2381.44mW·m-3；另外，GA电极材料较大的双电层电容（3670F·m-2）也很大程度上增加了MFC的稳定产电时间，GA的LEGS长达100h，是碳纸电极的4倍。（2）为了提高材料的生物相容性，以FeCl2还原氧化石墨烯，在壳聚糖凝胶化过程中可原位生成Fe3O4，并进一步探究了海胆状结构形成的机理，以及不同FeCl2的添加比例对

6、调控凝胶球孔道结构分布情况的影响。原位生长制备的Fe3O4颗粒平均粒径大小为13nm，且能够平均分布在凝胶球中，促使微生物之间长有纳米导线，增强了凝胶球的生物相容性，有效提高单位体积内微生物的生长量，从而提高MFC的产电能力。在GFe100时，平均孔道直径为13.55μm，比表面积为99.021m2g-1；电池的最大输出电压为759mV，最大功率密度为17.823W·m-3，是GFe0的23.21倍（0.768W·m-3）。（3）通过调控冷冻干燥的先后顺序，制备石墨烯海绵，研究了压缩率和呼吸强度对可呼吸式MFC（RMFC）产电性能的影响。在呼吸过程中，MF

7、C的产电性能同时受呼吸频率和静态运行时间的影响。当RMFC压缩率和静态运行时间分别为20%和3h时，RMFC的开路电压在1V左右，说明此时微生物活性较大，细胞的新陈代谢速率较快，其最大的输出电压902mV，LEGS为224h。关键词：石墨烯；微生物燃料电池；比电容；海胆状孔道；呼吸强度TheConstructionofGraphene-basedAnodeMaterialsandtheirApplicationinMicrobialFuelCellsAbstractWiththerapiddevelopmentoftheglobaleconomy,peopl

8、earebecomingmoreandmoredep