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沉积物低电位改性阳极制备与海泥电池在金属防腐中

收藏本文 2024-03-25 点赞:7361 浏览:22483 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:随着经济的进展和文明的进步,能源短缺成为了当今社会一个不可忽略的不足,同时,传统化石能源利用不充分而引发的环境污染及温室效应使得人们迫切需要开发新型的能源技术来解决这些不足。海底沉积物微生物燃料电池(Benthic Sediment Microbial Fuel Cell, BMFC),简称海泥电池,一种新型的产能装置,它通过海底沉积物中微生物的催化作用将海泥中有机物所蕴含的化学能转化为电能。BMFC具有简单的结构,阳极埋在厌氧的海泥中,阴极置于上层海水中,阴阳极之间通过外部电路连接。BMFC产电技术以其良好的综合性能而得到了越来越多探讨学者的青睐,但由于其自身功率密度输出较低等因素使得对其的探讨停留在实验室水平,实际环境中运用也只能驱动一些小型的海洋检测仪器运转。如何提升海底沉积物微生物燃料电池的输出功率成为了人们探讨的焦点,通常的采取的策略有电池结构优化、采取新型电极材料等。阳极材料的表面结构和生物相容性等性质直接决定着有机物的氧化、表面细菌的附着、电子的传递等历程。所以,为提升BMFC的输出功率密度,在本论文中采取了一种新型的铁改性石墨阳极构建BMFC,结果发现改性电极显著提升了电池的输出电压和输出功率。本论文采取了电解沉积的策略,制备了一种新型的低电位铁改性阳极材料,并探讨了不同制备条件的电极在BMFC中的电化学性能,探讨了最佳的试验参数。采取了XRD衍射、SEM、接触角等测试策略对铁改性石墨阳极材料进行了表征。电化学性能测试结果说明:电解时间15min,电解电流密度为178.9A/m2制备的改性阳极具有较低的电位-775mV,并持续稳定70天。该阳极具有良好的抗极化能力,其构建的BMFC输出功率密度显著提升,最大功率密度为997.3mW/m2,是普通石墨BMFC的13.5倍。这种新型的改性石墨阳极材料及改性策略有望在BMFC中得到广泛的运用。外加电流阴极保护是一种海洋中常用的金属防腐措施,而实际的深远海环境中,该策略有着电源供给困难、电源持续时间短、维护成本高等不足。本论文中将新型的电能供给装置BMFC运用于金属在海水中的腐蚀防护中,以解决阴极保护中有着的不足。本论文中将304不锈钢试样作为BMFC的阴极,通过构建一个BMFC装置来实现在海洋环境中对金属的保护。自然腐蚀状态下不锈钢电位为-260mV,通电保护试样为-340mV。荧光显微镜(FM)和扫描电镜(SEM)观察结果表明两组试样表面微生物附着情况差别不大,阴极保护试样表面腐蚀程度较低。电化学阻抗曲线与极化曲线验证BMFC对不锈钢的保护效果,结果表明阴极保护状态不锈钢试样的耐腐蚀能力随时间的增加,耐蚀性增强,腐蚀电流密度Icorr约为自然腐蚀试样的0.4倍,腐蚀速率降低2倍多。说明了采取BMFC对304不锈钢阴极具有较好防腐效果。关键词:海底沉积物微生物燃料电池论文电解沉积论文低电位阳极论文阴极保护论文金属腐蚀论文

    摘要5-7

    Abstract7-13

    1 绪论13-24

    1.1 引言13-17

    1.1.1 能源的需求及 MFC 的进展13-15

    1.1.2 微生物燃料电池的原理15-16

    1.1.3 阳极电子传递机制16

    1.1.4 MFC 的运用16-17

    1.2 海底沉积物微生物燃料电池17-20

    1.2.1 定义17-18

    1.2.2 BMFC 的优点及运用18-19

    1.2.3 亟须解决的不足和挑战19-20

    1.3 微生物燃料电池常用电极材料20-22

    1.3.1 阳极材料20

    1.3.2 阴极材料20-21

    1.3.3 阳极改性材料21-22

    1.4 本课题的内容及作用22-24

    2 药品和探讨策略24-31

    2.1 实验药品和材料24-25

    2.2 仪器和设备25-26

    2.3 BMFC 的构建26

    2.4 BMFC 的探讨策略26-31

    2.4.1 阴阳极电位26

    2.4.2 BMFC 的输出电压26-27

    2.4.3 BMFC 的内阻27-28

    2.4.4 BMFC 极化曲线28-29

    2.4.5 BMFC 功率密度曲线29

    2.4.6 塔菲尔曲线29-31

    3 改性低电位阳极的制备及其在 BMFC 运用的性能探讨31-52

    3.1 引言31-32

    3.2 电极制作32-33

    3.2.1 石墨阳极的制作32

    3.2.2 铁改性阳极的制备32-33

    3.3 海底沉积物微生物燃料电池的实验室构建33-34

    3.4 铁改性阳极材料的表征浅析34-35

    3.4.1 表面形貌浅析34-35

    3.4.2 XRD 表征35

    3.4.3 阳极表面润湿性浅析35

    3.5 BMFC 电化学性能测试35-37

    3.5.1 BMFC 阳极电位35-36

    3.5.2 改性阳极的极化曲线36

    3.5.3 改性阳极的塔菲尔曲线36

    3.5.4 BMFC 的放电曲线及内阻浅析36-37

    3.5.5 BMFC 的功率密度曲线37

    3.6 结果与讨论37-51

    3.6.1 电解沉积改性电极表面形貌浅析37-39

    3.6.2 电解沉积改性电极表面物质的 XRD 表征39

    3.6.3 电解沉积浅析39-42

    3.6.4 电极表面润湿性探讨42-43

    3.6.5 阳极开路电位43-44

    3.6.6 阳极的极化(放电)曲线44-47

    3.6.7 BMFC 塔菲尔曲线47-49

    3.6.8 功率密度曲线49-50

    3.6.9 阳极材料机理探讨50-51

    3.7 本章小结51-52

    4 海泥电池在金属防腐中的探讨探讨52-66

    4.1 引言52

    4.2 不锈钢腐蚀原理及防护概述52-55

    4.2.1 孔蚀的机理53

    4.2.2 不锈钢腐蚀探讨近况53-55

    4.3 探讨背景55-56

    4.4 实验历程56-58

    4.4.1 不锈钢基体表面预处理56

    4.4.2 实验装置的组装56-57

    4.4.3 表征测试手段57-58

    4.5 实验结果及浅析58-66

    4.5.1 阴极电位58-59

    4.5.2 不锈钢腐蚀形貌探讨59-61

    4.5.3 不锈钢表面微生物浅析61-62

    4.5.4 电化学测试62-65

    4.5.5 结论65-66

    5 结论66-68

    5.1 电极表面改性66

    5.2 BMFC 在海洋防腐中的运用66-67

    5.3 有着的不足及下一步的探讨计划67-68

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