本文選題：生物電化學(xué) + 微生物燃料電池��； 參考：《南京大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：微生物燃料電池(Microbial fuel cells,MFCs)是一類以微生物為反應(yīng)催化劑,將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。MFCs既是一種新型清潔能源,也可以作為污水處理技術(shù),已成為了目前的研究熱點(diǎn)。然而,由于它較差的產(chǎn)電性能和使用壽命,MFCs距離實(shí)際應(yīng)用還較遙遠(yuǎn)。影響MFCs性能的因素有很多。其中,作為微生物催化劑的載體,MFCs陽極決定著微生物的負(fù)載量、微生物的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性以及電極/微生物催化劑之間的電子傳遞速率,對(duì)MFCs的產(chǎn)電性能和使用壽命有著尤為重要的影響。因此,本論文基于四氧化三鐵、導(dǎo)電聚合物和碳基納米材料獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)以及良好的生物相容性,構(gòu)建了高效穩(wěn)定的MFCs。一方面探究了四氧化三鐵用于提高M(jìn)FCs穩(wěn)定性的機(jī)理,同時(shí)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)開發(fā)了產(chǎn)電性能更為優(yōu)異的MFCs;另一方面結(jié)合噴墨打印技術(shù)構(gòu)建了可高通量生產(chǎn)的高性能MFCs電極,同時(shí)從產(chǎn)電菌和電極材料的結(jié)合方式入手,開創(chuàng)性地提出了導(dǎo)電納米材料包埋細(xì)菌的策略,顯著地提高了產(chǎn)電菌的直接電子轉(zhuǎn)移效率。主要工作內(nèi)容如下:1、石墨烯/四氧化三鐵(G/Fe_3O_4)復(fù)合材料用作陽極增強(qiáng)微生物燃料電池壽命和電流輸出的研究四氧化三鐵與希瓦氏菌屬之間存在著生物親和力,因此細(xì)菌可以快速地附著到陽極材料表面并保持長(zhǎng)期活性,從而縮短了微生物燃料電池的啟動(dòng)時(shí)間,提高了電池的使用壽命。另一方面,石墨烯的引入不僅拓展了微生物附著的面積,同時(shí)也彌補(bǔ)了四氧化三鐵導(dǎo)電性的不足,進(jìn)而加速了胞外電子傳遞速率。所以,G/Fe_3O_4為陽極構(gòu)建的微生物燃料電池的產(chǎn)電性能優(yōu)于單獨(dú)石墨烯或單獨(dú)Fe_3O_4為陽極構(gòu)建的微生物燃料電池。2、細(xì)菌生物親和性的三維多孔石墨烯/多壁碳納米管/四氧化三鐵(G/WMCNTs/Fe_3O_4)泡沫用于微生物燃料電池陽極的研究利用水熱法,結(jié)合冷凍干燥技術(shù),制備了三維多孔石墨烯泡沫(3D G/WMCNTs/Fe_3O_4),并用作MFCs的陽極。首先,該陽極的三維多孔結(jié)構(gòu)為細(xì)菌進(jìn)入電極內(nèi)部提供通道;其次,MWCNTs在石墨烯片層間的插入可有效防止石墨烯的堆垛,進(jìn)一步拓展了細(xì)菌附著的面積,并提高電極的導(dǎo)電性;最后,Fe_3O_4與細(xì)菌之間的生物親和力可加速細(xì)菌的附著和維持細(xì)菌的長(zhǎng)期活性。基于上述優(yōu)點(diǎn),該陽極具有很高的微生物負(fù)載能力,優(yōu)異的生物相容性以及增強(qiáng)的電子捕獲能力。因此,與傳統(tǒng)的石墨棒相比,3D G/WMCNTs/Fe_3O_4泡沫構(gòu)建的MFCs展現(xiàn)出了更高的產(chǎn)電性能和更長(zhǎng)的使用壽命。3、噴墨打印制備的聚苯胺水凝膠/碳紙電極用于微生物燃料電池陽極的研究利用噴墨打印技術(shù),開創(chuàng)性地將多孔聚苯胺氣凝膠噴墨打印到碳紙基底上,并用于構(gòu)建MFCs�；趪娔蛴〖夹g(shù)的特點(diǎn),構(gòu)建的電極呈現(xiàn)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),且制備過程簡(jiǎn)單快速、尺寸大小可控、重復(fù)性好。另外,由于聚苯胺的多孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的導(dǎo)電性及其正電骨架結(jié)構(gòu)能夠靜電吸引更多表面帶負(fù)電的產(chǎn)電菌,該陽極構(gòu)建的MFCs的功率密度與裸碳紙陽極相比提高了 6.1倍。本工作開發(fā)了一種尺寸可控、高通量、高性能的MFCs陽極,促進(jìn)了微生物燃料電池的實(shí)際應(yīng)用研究,同時(shí)也開啟了噴墨打印技術(shù)應(yīng)用的新前景。4、聚吡咯包裹的產(chǎn)電菌用于構(gòu)建高性能微生物燃料電池的研究提出并驗(yàn)證了利用導(dǎo)電納米材料修飾產(chǎn)電菌來提高M(jìn)FCs性能的策略。通過原位聚合的方法,在產(chǎn)電菌表面包裹上聚吡咯(PPy),并負(fù)載在碳?xì)蛛姌O上,用于MFCs陽極。結(jié)果表明,表面修飾上PPy后,細(xì)菌的導(dǎo)電性得到大幅提高,且活性并未受到影響。由于Shewanella ondidensisMR-1的電子傳遞蛋白(細(xì)胞色素C)位于細(xì)胞表面,表面修飾上導(dǎo)電性的PPy后,有助于加快微生物與電極之間的電子傳遞,進(jìn)而提高了 MFCs的產(chǎn)電性能。此外,利用該原位聚合法,我們成功地將PPy包覆在其它三種細(xì)菌的表面,證實(shí)了該方法的廣譜性,有望提高其它生物體的導(dǎo)電性并應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域。
[Abstract]:Microbial fuel cell ( MFCs ) is a kind of device which takes microorganism as reaction catalyst and converts chemical energy in fuel into electric energy . This work has developed a new promising method to improve the performance of MFCs . In addition , because of the porous structure of polyaniline , the electroconductivity of the porous polyaniline aerogel is improved by 6.1 times .

【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB383.1;TM911.45

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本文編號(hào)：1787550