基于生物電化學(xué)系統(tǒng)的微生物燃料電池（microbial fuel cells,MFCs）是一種新興的綠色能源裝置,它可以通過電活性微生物的特殊機(jī)制將碳源中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�。然�?由于MFCs現(xiàn)階段還存在輸出功率較低、應(yīng)用成本高、啟動(dòng)條件較苛刻等不穩(wěn)定因素,限制了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。其中,MFCs的陽(yáng)極性能很大程度上影響其輸出功率的提高,而電活性微生物與陽(yáng)極表面的電子傳遞效率是其中最關(guān)鍵的因素。為了促進(jìn)陽(yáng)極電子轉(zhuǎn)移,最可行的方法是優(yōu)化陽(yáng)極的表面結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能,使其利于電活性微生物的粘附并且快速傳導(dǎo)產(chǎn)出的電子。因此,尋找創(chuàng)新且高效的陽(yáng)極改性方法是提高M(jìn)FCs產(chǎn)電性能的重要途徑。一般來(lái)說(shuō),碳基材料因其穩(wěn)定性和生物親和性被廣泛用作傳統(tǒng)MFCs陽(yáng)極材料。然而,其導(dǎo)電性和表面積需要進(jìn)一步提高。本研究采用碳納米管（carbon nanotubes,CNTs）這種高長(zhǎng)徑比和導(dǎo)電率高性能碳納米材料,利用其高效的電子接收和傳導(dǎo)能力以及易修飾性將之對(duì)傳統(tǒng)碳材料進(jìn)行改性,基于CNTs本身的優(yōu)異性能,通過不同的改性方法促進(jìn)電活性微生物和陽(yáng)極之間的增強(qiáng)接觸以及快速傳遞電子。本文探究了不同修飾修飾方法的可行性以及... 

【文章來(lái)源】：齊魯工業(yè)大學(xué)山東省

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖1.1雙室型微生物燃料電池工作原理示意圖

利用電子供體和電子受體之間的能量差，這進(jìn)一步導(dǎo)致跨膜形成離子梯度。該梯度有助于ATP合成，因此將電勢(shì)差轉(zhuǎn)換為化學(xué)能。電子在生物膜中分泌可溶性電子穿梭，例如黃素類、醌類等[36]。這些微生物電子穿梭與細(xì)胞色素相互作用，進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移到電極上。電活性微生物在分泌的核黃素與c-Cyts中的特定血紅素基結(jié)合，血紅素的氧化態(tài)反映了呼吸的電子輸入與輸出之間的平衡[37]。核黃素的釋放和結(jié)合維持了細(xì)菌生物膜中的細(xì)胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)，并且將電子轉(zhuǎn)移至電極[38]。如圖1.2所示，概括了直接和間接的電子傳遞方式。圖1.2電活性微生物胞外電子傳遞方式1.2.4微生物燃料電池的主要發(fā)展方向MFCs作為一種利用電活性微生物產(chǎn)電的新型清潔能源，目前來(lái)說(shuō)還沒有大規(guī)模應(yīng)用。限制MFCs商業(yè)化以及工業(yè)化發(fā)展的主要障礙是其較低的輸出功率，現(xiàn)階段MFCs只在傳感器或者其他發(fā)電小元件中應(yīng)用[39]。因此，科研人員將研究方向聚焦在如何提高M(jìn)FCs的發(fā)電性能。其一，完善并改進(jìn)MFCs的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)。MFCs發(fā)展至今，不斷有創(chuàng)新的電池結(jié)構(gòu)被開發(fā)。例如沉積物微生物燃料電池通常選擇狹長(zhǎng)的圓筒容器，利用沉積物的封閉性打造無(wú)氧環(huán)境，適合混合微生物的生長(zhǎng)繁殖[40]。雙室微生物燃料電池可以給純菌提供小而密閉的生存空間，后來(lái)單室微生物燃料電池的開發(fā)，通過改造空氣陰極擴(kuò)大氧化還原反應(yīng)效率，直接取消陰極室與昂貴的質(zhì)子交換膜[41]。結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可以通過縮短陰陽(yáng)極距離減小內(nèi)阻，或者通過更密閉的設(shè)備空間為電活性

齊魯工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文15了官能團(tuán)，可能為羥基或者羧基。圖2.1(a)酸處理前碳納米管的表面形貌;(b)酸處理后碳納米管的表面形貌為了進(jìn)一步證明CNTs是否成功酸化，將未處理的CNTs和酸處理后的CNTs分散在水溶液中靜置過夜。如圖2.2所示，左邊樣品瓶中未處理的CNTs靜置后出現(xiàn)明顯的沉淀分層現(xiàn)象，而右邊酸處理后的CNTs始終在水溶液中保持均勻的分散。這說(shuō)明CNTs經(jīng)過酸化處理不僅處理掉了疏水的油脂等雜質(zhì)，還明顯增加了親水性。這樣處理的CNTs可以均勻分散在水相溶質(zhì)中，而且可以保持較久的穩(wěn)定期。為下一步的層層自組裝打?qū)嵙嘶A(chǔ)，保證CNTs的高分散性從而為制備高性能MFCs陽(yáng)極提供了技術(shù)指導(dǎo)。圖2.2混酸處理前后CNTs的水分散液靜置現(xiàn)象2.3.2CP/CNT陽(yáng)極的表面構(gòu)造將酸處理后的CNTs高速離心后取沉淀，干燥后與原始CNTs通過XRD分析所獲得材料在5-30度范圍內(nèi)的表觀結(jié)構(gòu)信息。如圖2.3所示，可以發(fā)現(xiàn)酸化CNTs

【參考文獻(xiàn)】：
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