基本介紹
反極時間對微生物燃料電池性能的影響,不同反極時間後電池的電壓回響,反極時間對電池性能的影響,反極時間對陽極生物膜電化學活性的影響,反極時間對生物膜乾重的影響,非對稱衍射法測量反極圖,測量原理,測量過程,測量實例,分析和討論,
反極時間對微生物燃料電池性能的影響
以100Ω外阻啟動完成後的微生物燃料電池施加18mA 的反極電流，考察不同施加時長的反極電流條件下電池的性能回響。實驗結果表明：隨著施加反極電流時間的增加，最大功率密度呈逐漸減小的趨勢當反極電流施加時間大於12h時， 電池最大功率密度接近零。 當電池恢復運行6天后， 反極電流時間為10min的MFC性能可以恢復至未施加反極電流前的水平。而對於施加反極電流大於1h的MFC，其性能僅能恢復至原性能的85%。循環伏安和生物膜乾重測量結果顯示，造成上述現象的原因主要是由於當施加的反極電流時間大於1h時，陽極生物膜活性略下降且生物膜乾重減少所致。
不同反極時間後電池的電壓回響
微生物燃料電池以100Ω的負載啟動完成後分別載入不同時間的反極電流（18mA）然後再接回啟動電阻運行 1天電池的電壓回響曲線。對電池施加反極電流時，在載入電流的瞬間，電池電壓會迅速降低至-1.3V左右，然後有小幅度回升，最後電池電壓一直維持在-1.0V左右對電池載入反極電流後，經不同反極時間再將電池接回啟動電 阻運行，電池電壓也能及時地回響。而MFC-10min接回100Ω負載時電壓能迅速回升到原來狀態，這說明電池性能基本未受到施加反極電流的影響； 而MFC-1h接回100Ω負載時電池電壓為0V，再以一定速度緩慢回升至0.16V而也表現出與MFC-1h相側趨勢，但電池穩定電壓只能回升至0.12V；對於MFC-12h和MFC-24h電池接回100Ω負載時電池電壓基本維持在0V左右，並在隨後的24h內保持不變，這說明當電池被施以反極電流超過12h以上時，電池的產電性能將發生極大的衰減。
為了進一步考察反極時間對電池性能的長期影響，所有電池在施加反極電流後進行了為期6天的長期培養， 反極時間越短，電池性能恢復越迅速，且最終獲得的電池電壓越高。
反極時間對電池性能的影響
隨著對電池施加的反電流的時間增加，電池性能急劇下降。具體來說，反極10min、1h、5h和24h後分別對應的最高功率密度為1380、910、170、6、4mW·m-2。造成這種現象的原因可能是由於在對電池施加反極電流時，由於陽極電勢升高至，遠高於陽極氧氣析出電位 （E0=0.815V，ph=7），從而導致陽極表面氧氣的析出。 此時，由於陽極室內厭氧條件被破壞，附著在陽極生物膜中的產電菌將從厭氧呼吸變為直接以氧氣為電子受體， 上述過程將極大抑制產電菌- 電極間電子傳遞過程，因而造成電池性能下降。當反極電流施加時間較短時，產生的氧氣量較少，陽極室內氧氣將很快被消耗，因此電池性能恢復較快。但當反極時間賬時，陽極氧氣析出量增加， 進行有氧呼吸的產電菌增多，導致產電菌脫離生物膜， 最終引起隨生物膜脫落，從而使得電池性能降低至近零。
為考察反極時間對電池性能的長期影響 ， 實驗還測試了停止施加反極電流並恢復運行1 天和6 天后的電池最大功率密度。
反極時間對陽極生物膜電化學活性的影響
實驗中對電池在停止施加反極電流、恢復運行1天和6 天三個階段進行了循環伏安測試。
隨著反極時間的增加，陽極生物膜電化學活性下降，在反極時間超過5h後，氧化峰基本消失，並出現了明顯的雙電層，這可能是由於反極時陽極較高的電極電位在碳布表面引 入的活性基團在循環伏安掃描時發生氧化還原反應所致。所有電池恢復運行1 天后均開始出現氧化峰，這說明生物膜的電化學活性正在逐漸恢復。而當電池恢復運行6天后，MFC-1h 、MFC-5h、MFC-/2h和MFC-24h的氧化峰電流仍略小MFC-10min和未施加反極電流的 對比電池，上述現象說明施加反極電流後，雖然電池性能能夠得到一定程度的恢復，但仍無法達到未反極前的水平。
反極時間對生物膜乾重的影響
為了更進一步說明反極時間對MFC陽極生物膜的影響，實驗測定了MFC在載入不同時間的反極電流後再接回100Ω的負載運行6 天后生物膜的乾重，與對比樣相比，反極10min的MFC在接回100Ω的負載運行6天后生物膜的乾重基本保持不變，而當反極電流施加時間大於1h 時，陽極生物膜乾重明顯低於對比樣電池，並且隨著反極時間 的增加，生物膜乾重基本維持在15mg·gcarbon·cloth左右，說明未反極的電池在長期運行中，陽極碳布表面附著了 大量衰老菌落和代射雜質。雖然當施加反極電流時間大於1h時，恢復運行6 天后生物膜活性相比停止施加反極電流時得到提升但由於陽極生物量大幅度降低，也使得最終的性能略有下降。
非對稱衍射法測量反極圖
介紹了一種在X-射線衍射儀上採用非對稱衍射方式測量反極圖的方法。該方法的特點是：與對稱衍射方式相比，非對稱衍射方式測量的反極圖中的極密度的大小既包含了在對稱衍射方式下能產生衍射的晶粒對極密度的貢獻，也包含了與對稱衍射晶粒有一定取向差的晶粒對極密度的貢獻，因而採用該方法測量反極圖更科學，所測結果更接近真值。
測量原理
傳統的反極圖測量方法主要是在廣角 X-射線衍射儀上採用短波長單色 X-射線作多晶體衍射分析，並儘可能多地獲得不同晶面的衍射強度。對實測衍射強度作相應整理後，採用極射赤面投影的方法將相關數據（極密度）投影到赤道投影面上，即可得到反極圖，並在反極圖中標示不同晶面的極密度的大小。實際測量過程中，在相同的測量條件下，分別對試樣和標樣（沒有織構的樣品為標樣）作對稱衍射（即入射角=反射角），得到試樣和標樣的衍射圖譜，求出各個晶面的累積強度 I{hkl}試樣和I{hkl}標樣，將某晶面{hkl}的 I{hkl}試樣和 I{hkl}標樣的比值作為試樣的該晶面的極密度值並標在反極圖上，完成測量過程。但這樣的測量方法誤差較大，因為通過這種方法測量的某{hkl}晶面的強度I{hkl}主要由那些在對稱衍射條件下能產生衍射晶粒的貢獻。但是材料中與這些能產生衍射的晶粒存在較小取向差（如<10°）的晶粒，儘管沒有參與衍射，但這樣的晶粒對材料的性能也有重要影響，因此反極圖測量中應該包含這些晶粒對測量結果的貢獻，顯然採用對稱衍射法所得結果可能與材料的性能之間存在偏差。
測量過程
採用非對稱衍射法（即入射角≠反射角）來進行測量，測量時，需要將試樣/標樣傾斜一定角度，具體測量步驟如下。
（1）各衍射峰峰位置的確定：採取對稱衍射方法獲得試樣及標樣衍射圖譜，確定若干個{hkl}衍射峰峰位置（2θ位置）及峰左右兩邊的背底位置。
2） 將試樣放入1θ軸上，首先使1θ軸和2θ軸（探測器）均處於0°位置，然後使其按1∶2的角速度之比，將探測器依次旋轉到步驟（1）中所確定的若干個衍射峰峰位置，探測器每停在一個地方，1θ軸（試樣）即沿β方向按一定步進速度從-10°旋轉到+10°，同時計算機記錄1θ軸每一步進下探測器上的X-射線的強度I0。
（3）將探測器依次旋轉到各衍射峰左右兩邊的背底位置，採取步驟（2）的方法，得到1θ軸每一步進下探測器上的X-射線的強度I背底左和I背底右，將二者取平均值即為該步進下該衍射峰的背底強度I背底。根據公式Ihkl=I0-I 背底即可計算該{hkl}衍射峰的淨強度。
（4）將試樣從1θ軸上卸下，放入標樣，按步驟（2）、（3）測定標樣的衍射峰的淨強度I0hkl。
（5）計算出每一步進下試樣淨強度 Ihkl 與標樣淨強度 I0hkl 的比值 Ihkl/I0hkl，並將所有的比值取平均值即為該{hkl}衍射峰的極密度值。
（6）將步驟（5）中得到的各{hkl}衍射峰的極密度值標在該試樣的反極圖上，完成測量過程。
測量實例
選擇大晶粒取向矽鋼作為測試試樣，採用對稱衍射方式和非對稱衍射方式測量反極圖的測量結果。
分析和討論
一般情況下，取向矽鋼的晶粒是{110}晶粒，即高斯晶粒。高斯晶粒的特點是{110}面平行於板面，通常情況下，取向矽鋼的晶粒不是理想的高斯晶粒，與理想的高斯晶粒有一定的取向偏差，即與板面平行的晶粒其實際晶面不是理想的{110}面，與{110}面有一定偏差，因此，{110}、{431}晶面的極密度值很小，但當將試樣傾斜一定角度測量時即非對稱衍射方式測量時，{110}、{431}晶面的極密度值增大許多，由此可以推斷，試樣中的晶粒不是理想的高斯晶粒。如果僅從結果來看，會誤認為試樣中的高斯晶粒非常少，顯然對稱衍射方式測量的結果不是真實可靠的，對研究取向矽鋼而言，這樣的測量結果是錯誤的。而將試樣傾斜一定角度測量，{110}等晶面的極密度值增加了，說明試樣中存在大量的準高斯晶粒（與理想的高斯晶粒有偏差），這樣的晶粒對取向矽鋼的性能的貢獻是不能忽略的。
