微生物燃料电池阴极材料的制备与分析

论文总字数：29586字

摘 要

微生物燃料电池是一种具有发展潜力的新能源技术。空气阴极MFC因其具有较高的功率输出和简单的构型，被认为是最有规模化应用潜力的形式。传统空气阴极是利用Pt/碳粉作为催化剂，这种阴极催化剂大大提高了MFC的制备成本。故经济的阴极是解决MFC扩大生产化的关键问题之一。因次本次研究集中于阴极材料中可替代Pt/碳粉的催化剂。因此深入研究碳点具有重要的意义，本文就基于碳点的制备及荧光性能进行了初步的探讨，通过表征研究碳点的结构性质，并探索了碳点在微生物燃料电池阴极催化的作用。

该论文首先研究了碳点。采用电化学方法，氧化石墨棒，制备碳点，然后通过透射电子显微镜（TEM）发现，在90V条件下制备的碳点粒径平均约为3.5nm，120V条件下碳点平均粒径约为4nm。通过红外光谱分析（FTIR），我们发现制备的碳点表面含有羟基（-OH），羰基（C=O），碳碳双键（C=C），这也很好的解释了碳点具有很好的水溶性。通过荧光光谱分析（PL），我们发现碳点在荧光性能方面展现出了极其优异的表现，在紫外灯照射下发出明亮蓝色荧光。我们尝试使用尿素在碳点中掺杂碳元素，通过以上几种表征方式，说明这种方法不能成功制备氮掺杂的碳点。

关键词：碳点、电化学方法、荧光材料、催化、微生物燃料电池

Abstract

Microbial fuel cell is a new kind of energy source. Air cathode MFC is considered as the most promising form, because of its simple structure and high power output. Conventional air cathode uses Pt/ carbon powder as a catalyst, which greatly increases the manufacturing costs of MFC. Therefore, in order to solve this problem, this project is to find the material that can replace the catalyst consists of Pt/carbon powder. The properties of carbon dots are studied as cathode catalysis in the microbial fuel cell.

Carbon dots were obtained using graphite rod as carbon source in an electrochemical way. Then, we analyzed the microstructure and lattice structure of carbon dots by transmission electron microscopy(TEM).We find the size of carbon-dots produced in 90V is about 3.5nm and in 120V is about 4nm. Also we analyzed its surface oxygen-containing groups by Fourier transform-infrared and its fluorescence properties by photoluminescence spectroscopy. When the excitation wavelength is 340 nm, fluorescence wavelength of carbon-dots is 438 nm at the strongest peak. Nitrogen-doped carbon-dots were also tried to produce, but unsuccessfully.

Keywords: Carbon-dots, electrochemical method, Fluorescent material, catalytic, MFC

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2微生物燃料电池的概述 1

1.3微生物燃料电池的阴极 3

第二章 碳点 4

2.1碳点的概述 4

2.2碳点的合成方法 4

2.3碳点的组成和结构 10

2.4碳点的性质 11

2.4.1碳点的光学性质 11

2.4.2碳点的生物相容性 13

2.4.3碳点的电致化学发光特性 14

2.4.4光诱导电子转移特性 15

2.4.5碳点的催化特性 15

2.5碳点的应用 16

2.5.1 生物成像 16

2.5.2 光电器件应用 17

2.5.3 光催化应用 17

2.5.4 燃料电池催化剂 18

第三章 碳点及氮掺杂碳点的研究 20

3.1碳点的研究 20

3.1.1 实验材料 20

3.1.2 实验过程 20

3.1.3 分析方法 20

3.1.4实验结果分析 21

3.2氮掺杂碳点的研究 25

3.2.1 实验材料 25

3.2.2实验过程 25

3.2.3实验结果分析 25

第四章 结论与展望 29

4.1结论 29

4.2展望 30

致谢 31

参考文献 32

第一章 绪论

1.1引言

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