【摘要】：微生物燃料電池(MFCs)利用微生物為催化劑能同時實現(xiàn)污水處理和電能回收,因而具有潛在的應用價值。自從1911年發(fā)現(xiàn)生物電流的現(xiàn)象以來,MFCs的研究經(jīng)歷了近百年的緩慢進展和過去十五年的快速發(fā)展,在反應器構型、材料、微生物和電化學等方面,取得了大量的進展。然而,MFCs依然面臨著低的功率密度和胞外電子轉移(EET)等瓶頸問題。陽極作為產(chǎn)電菌的附著體,不僅影響著生物膜的生長,還影響電子從產(chǎn)電菌到陽極的傳遞,從而很大程度地決定MFC陽極的產(chǎn)電過程,進而影響整個系統(tǒng)的性能。因此,設計高效的三維(3D)陽極材料是提升MFCs性能和能源轉化的核心之一。為了改善碳基陽極與微生物的相互作用,本論文設計和制備多孔碳基陽極材料,通過調(diào)控碳基陽極材料的物化特性,實現(xiàn)了產(chǎn)電微生物的快速富集,進而探究材料的界面性質與組成結構對促進微生物EET的影響機制。具體研究內(nèi)容如下:采用廉價、易得的面包作為構筑碳基陽極的原材料,經(jīng)過簡單的焙燒,得到了多種雜原子(氮、磷和硫)摻雜的多孔碳(簡稱為NPS-CFs)。通過掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、氮氣吸附脫附儀(BET)、X射線光電子能譜儀(XPS)、X射線粉末衍射儀(XRD)、拉曼光譜儀(Raman)等技術手段對其化學組成和物理特性進行了表征,系統(tǒng)地探究了焙燒溫度等條件對其微觀結構以及化學組成的影響。結果表明,1000~oC碳化得到的多孔碳(NPS-CF-1000)陽極具有最大的比表面積和豐富的孔結構、最優(yōu)的雜原子摻雜量以及優(yōu)異的機械強度和好的生物相容性。為了進一步控制微生物在陽極材料內(nèi)的分布,采用硬膜板法,通過自組裝制備出一種新型、高效的3D有序多孔碳(簡稱為3D-OPC-x,x代表焙燒溫度)。在此基礎之上,為了進一步促進微生物和電極之間電子有序、定向、持續(xù)的傳輸,在3D-OPC-x結構中引入導電聚苯胺納米結構(簡稱為3D-OPC-900/PANI)。通過SEM、TEM、XRD、Raman、BET、XPS以及原子力顯微鏡(AFM)等技術手段,研究了3D-OPC-x和3D-OPC-900/PANI陽極材料的宏觀空間結構和微觀孔徑分布、化學組成以及和物理特性。研究表明,3D有序多孔碳和3D-OPC-900/PANI具有連續(xù)貫通的三維結構以及優(yōu)異的導電性能。研究了碳基陽極材料的表面組成和結構對MFCs啟動周期、功率密度、內(nèi)阻以及微生物膜伏安行為的影響。NPS-CFs、3D-OPC以及3D-OPC-900/PANI表現(xiàn)出快速的啟動周期、高的功率。相比NPS-CFs,3D-OPC-900/PANI中導電聚苯胺(PANI)的引入對產(chǎn)電微生物產(chǎn)生了“虹吸”效應,電池在接種2-3天后就開始啟動,與傳統(tǒng)碳電極相比啟動周期縮短了67%。同時,得益于合理有效的納米結構設計,3D-OPC-900/PANI復合陽極展現(xiàn)出極高的體功率密度和電壓,超過了商業(yè)碳布(CC)和NPS-CFs,表明3D-OPC-900/PANI能夠實現(xiàn)對產(chǎn)電微生物的快速富集并展現(xiàn)優(yōu)異的電池性能。陽極上微生物膜的伏安行為研究表明,NPS-CF-1000、3D-OPC-900和3D-OPC-900/PANI陽極的峰電流與掃描速率之間成正比,表明在這些陽極上MtrC的氧化還原反應表現(xiàn)為表面吸附物的氧化還原過程。然而,CC陽極表面生物膜的峰值電流與掃描速率的平方根成線性關系,表明OmcA的氧化還原反應受制于擴散控制過程。上述研究表明NPS-CFs、3D-OPC以及3D-OPC-900/PANI電極與微生物膜具有更好的接觸,從而有效地促進了微生物EET過程。使用NPS-CFs和3D-OPC-900/PANI作為微生物燃料電池陽極,實現(xiàn)了利用微生物對有機物去除,其中NPS-CFs陽極組裝的電池中COD去除率為64.9%,而3D-OPC-900/PANI作為陽極的MFCs裝置其COD去除率為68.9%。此外,同時,NPS-CFs陽極組裝的電池可以成功地驅動了實際器件——電磁玩具,而3D-OPC-900/PANI作為陽極的MFCs裝置首次成功地點亮了以HIT為序列的LED燈。研究了碳基陽極的表面組成和結構對微生物菌落組成、分布以及生物相容性的影響。結果表明,碳基陽極的化學組成和理化性質影響了其表面微生物菌落結構組成的分布。相比于NPS-CFs陽極,3D-OPC和3D-OPC-900/PANI陽極更有利于導電細菌-地桿菌的富集。同時,3D-OPC-900/PANI陽極生物膜的SEM結果中有納米導線存在,證實了微生物和電極之間直接電子傳輸路徑。共聚焦顯微鏡(CLSM)的結果表明,相比于商業(yè)CC而言,NPS-CFs、3D-OPC和3D-OPC-900/PANI陽極都具有好的生物相容性。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM911.45;X703
【圖文】：

第 1 章 緒 論第 1 章 緒 論景及研究目的和意義的幾十年里，能源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為全球性問的處理及可再生能源的研究日益增長。正在興起的微el cells, MFCs)為可再生能源生產(chǎn)和廢棄物處理提供了值正逐漸成為催生新能源的生長點。MFCs 是一種利用常溫常壓下將燃料的化學能轉化為電能、進行能量轉典型的雙室 MFCs 的反應裝置示意圖。

圖 1-2 陽極和微生物間的電子傳輸機理示意圖[57]ig. 1-2 Schematic diagram of electron transfer mechanism between anode and microb微生物通過電子穿梭途徑傳遞電子產(chǎn)生的最大電流要遠低于通過導膜長距離傳遞電子產(chǎn)生的電流。這是因為前者的產(chǎn)電能力受穿梭體擴。在開放環(huán)境中，這種傳遞會在微生物-電極界面穿梭的瞬間損耗。與接觸的產(chǎn)電方式只允許單層細胞傳遞電子，其產(chǎn)電能力受電極與微生面積的限制。導電性生物膜能產(chǎn)生更高的電流密度，因為這種方式允胞參與電流的產(chǎn)生。但是，上述三種胞外電子轉移方式涉及的復雜過尚不清楚。此外，對于研究電子傳輸機制，使用單一菌種有很多優(yōu)勢。但是，在的陽極環(huán)境中(含有多種微生物的菌群)，電子傳輸?shù)臋C制不是唯一的上述幾種過程的混合。 微生物燃料電池中陽極材料的研究進展.1 碳基陽極材料

第 1 章 緒 論用前景的 MFCs 材料[58]，如圖 1-3 所示[59-61]。表，使用空氣型陰極 MFCs 反應器，以石墨棒的處理，如圖 1-3 a)。其中，最大功率密度達到去除率達到了 80 %[8]。緊接著，Lovley 等人分3 b))及石墨海綿作為陽極材料，并進一步對比和和孔結構對 MFCs 輸出電流的影響。其結果表序為：石墨氈 > 石墨綿 > 石墨棒[27]。并且進極材料的可接觸面積增加(石墨棒，6.5 × 10-3m.4 g；石墨氈，20.0 × 10-3m2/ 5.1 g)，電池的輸

本文編號：2796396