環(huán)境污染和能源緊缺是當(dāng)今世界面臨的兩大危機(jī)。微生物燃料電池(Microbial fuel cell,MFC)是利用產(chǎn)電微生物將有機(jī)污染物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置,在廢水凈化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量回收,作為一種理想的綠色清潔能源技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的研究熱點(diǎn)。一直以來(lái),功率問(wèn)題是制約MFC實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。究其原因,主要是由于陽(yáng)極表面微生物的附著量較少以及微生物與電極之間的電子傳遞過(guò)程緩慢限制了MFC的電流產(chǎn)生和功率輸出。陽(yáng)極作為產(chǎn)電微生物附著的載體,不僅影響了產(chǎn)電微生物的電活性生物膜形成,同時(shí)還影響了電子從微生物向陽(yáng)極的傳遞速率,對(duì)提高M(jìn)FC產(chǎn)電性能有著至關(guān)重要的影響。尋找和開(kāi)發(fā)兼具高性能和生物相容性好,且成本低的陽(yáng)極材料,并應(yīng)用于MFC陽(yáng)極來(lái)提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能,必將進(jìn)一步推動(dòng)MFC的實(shí)際應(yīng)用。為提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能,本論文制備了基于微納米材料修飾,不同表面形貌的陽(yáng)極材料,詳細(xì)研究了材料表面形貌、物理化學(xué)特性和電化學(xué)活性對(duì)MFC產(chǎn)電性能的影響。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:(1)通過(guò)簡(jiǎn)單的兩步法——“原位聚合+碳化處理”方法,以廉價(jià)的普通廢舊棉紡織物作為原材料,制備了一種新型的宏觀大孔,生物相容性好,導(dǎo)電性能好,成本低廉的高性能MFC陽(yáng)極——氮摻雜碳納米顆粒修飾碳化棉織物電極(NC@CCT)。由于開(kāi)放的宏觀大孔棉織物結(jié)構(gòu)和N摻雜的碳納米顆粒涂層,新型NC@CCT電極為微生物細(xì)胞生長(zhǎng)附著提供了較大的比表面積,并增強(qiáng)了電極的生物催化活性和生物相容性,因此增加了微生物的負(fù)載量并促進(jìn)電極和微生物之間的胞外電子傳遞(Extracellular electron transfer,EET)。電池性能結(jié)果表明,在相同的條件下,基于NC@CCT陽(yáng)極的MFC的最大功率密度為931±61 mW m-2,比商業(yè)的碳?xì)株?yáng)極的最大功率密度提高了 80.5%。碳化普通廢舊棉紡織物作為電極材料引入了一種低成本和有前景的方法來(lái)開(kāi)發(fā)棉基材料。同時(shí),廢舊棉紡織物可作為電極的原材料進(jìn)行回收利用,既可以節(jié)約資源,又可以減少環(huán)境污染問(wèn)題。(2)通過(guò)簡(jiǎn)單的兩步法——“浸漬和碳化處理”方法,制備了一種新型宏觀大孔高電化學(xué)活性的碳化鉬納米顆粒修飾碳化棉織物負(fù)載復(fù)合電極(Mo2C/CCT),并應(yīng)用于MFC的陽(yáng)極材料。形貌及物化表征結(jié)果表明,制備的樣品成功地負(fù)載了 Mo2C納米顆粒并提供了較大的比表面積(832.17m2g-1)。在相同的條件下,基于Mo2C/CCT陽(yáng)極的MFC最大功率密度達(dá)到1.12 W m-2,比CCT和商用碳?xì)株?yáng)極高出51%和116%。高功率密度歸因于棉織物的開(kāi)放大孔結(jié)構(gòu)以及Mo2C納米涂層的高電導(dǎo)率和優(yōu)異的電化學(xué)活性。本研究提供了一種制備MFC高性能陽(yáng)極的簡(jiǎn)易可行方法。(3)通過(guò)簡(jiǎn)單的微乳液共沉淀反應(yīng)和空氣氣氛中煅燒的方法,制備了一種新型多孔雙組分復(fù)合材料Ni0.1Mn0.9O1.45(0.35Mn2O3/0.1NiMn2O4)微納橢球體,該復(fù)合材料是一種三維多孔微球體,由Ni和Mn共沉淀碳酸鹽煅燒而成。該材料的電化學(xué)性能優(yōu)異,將其修飾碳?xì)株?yáng)極作為MFC的陽(yáng)極材料。基于Ni0.1Mn0.9O1.45/CF陽(yáng)極的MFC的最大功率密度為1.39±0.07 W m-2,比基于商業(yè)碳?xì)株?yáng)極的MFC高168.6%。MFC產(chǎn)電性能的提高可歸因于多孔自組裝微橢球結(jié)構(gòu)和Mn2O3與NiMn2O4的協(xié)同效應(yīng),為微生物的黏附提供了較大的比表面積,并且展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)活性,促進(jìn)了陽(yáng)極與微生物之間的EET。本研究提出了一種制備MFC高性能和環(huán)境友好的陽(yáng)極修飾材料的新方法。(4)采用無(wú)模板的化學(xué)沉淀法制備了具有新型多層納米片結(jié)構(gòu)的γ-MnO2/GO(氧化石墨烯)復(fù)合材料,將其修飾碳?xì)株?yáng)極作為高性能MFC的陽(yáng)極材料。物理化學(xué)特性表征結(jié)果表明,多層γ-MnO2/GO納米薄片具有高導(dǎo)電性,并提供了較大的微生物粘附表面積,因此增加了微生物的負(fù)載量并促進(jìn)了陽(yáng)極和微生物之間的EET。一方面,三維結(jié)構(gòu)增加了其比表面積,這有利于微生物的附著并增加生物量。另一方面,γ-Mn02具有贗電容性質(zhì),Mn3+和Mn4+的氧化還原反應(yīng)促進(jìn)了 EET效率,改善了陽(yáng)極性能,從而提高了 MFC的功率密度。結(jié)合γ-Mn02和GO的優(yōu)點(diǎn),γ-MnO2/GO復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能,基于γ-MnO2/GO修飾碳?xì)株?yáng)極的MFC的最大功率密度為1.13±0.09Wm-2,在相同條件下比商用碳?xì)株?yáng)極高119%。結(jié)果表明,多層γ-MnO2/GO納米薄片修飾碳?xì)株?yáng)極是用于高性能MFC非常有前景的陽(yáng)極材料。
【學(xué)位單位】：廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM911.45;TB383.1
【部分圖文】：

Ｆｉｇ．１－１邋Ｂａｓｉｃ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＭＦＣ．逡逑１．２．４邋ＭＦＣ的電子傳遞機(jī)制逡逑如圖１－２所示，產(chǎn)電微生物“催化劑”在陽(yáng)極室促進(jìn)底物的氧化并釋放電子到電極逡逑上。陽(yáng)極性能由以下這些因素影響著：１）微生物厭氧代謝的速率；２）微生物細(xì)胞向陽(yáng)逡逑極傳遞電子的速率。在第一個(gè)過(guò)程中，微生物代謝主要由呼吸和發(fā)酵兩種途徑組成。在逡逑呼吸代謝中，底物首先通過(guò)氧化還原介體氧化和釋放電子，然后再傳遞給外部終端電逡逑子受體。如果終端電子受體的氧化還原電位越正，從底物獲取的能量就越多。在第二個(gè)逡逑過(guò)程中，電子從生物膜的內(nèi)部傳遞到外部，可以通過(guò)物理傳輸或者通過(guò)氧化還原酶，這逡逑是電子從微生物細(xì)胞傳遞到陽(yáng)極的一個(gè)最基本的要求。此外，除了細(xì)胞內(nèi)部這種電子逡逑傳輸方式，電子從細(xì)胞外傳遞到陽(yáng)極還需要另一種氧化還原活性物質(zhì)，例如，膜外氧化逡逑還原蛋白，可溶性氧化還原穿梭體或者消化主要代謝物［３（）＿３３］。逡逑４逡逑

■５＾＜；如［１５］、鐵還原紅螺菌＿／？／７０＾＾／＇饑《：／？７７＞￡（＾？：以７５＇［２９］）、納米導(dǎo)線機(jī)制（腐敗希瓦氏菌逡逑幼￡１似／祀／／0０冊(cè)／也／２也�。埽保保保保郏保矗莺停ǎ蓿埃�？＾廠及／仿／／７＾辦匚饑５）、電子穿梭體機(jī)制。逡逑圖１－３Ａ和Ｂ展示了直接電子傳遞機(jī)制的示意圖。直接電子傳遞機(jī)制，即電子靠物理逡逑接觸來(lái)直接傳遞。從微生物細(xì)胞到陽(yáng)極的電子傳遞不需要任何氧化還原介體，細(xì)胞膜逡逑或者細(xì)胞器官與ＭＦＣ的陽(yáng)極直接物理接觸來(lái)傳遞電子。這種電子傳遞方式在很長(zhǎng)一段逡逑時(shí)間內(nèi)沒(méi)有被認(rèn)可，因?yàn)槲⑸锛?xì)胞一般情況下是沒(méi)有電子導(dǎo)電性的。這種電子傳遞逡逑方式要求微生物自身要有膜傳輸?shù)鞍�，膜傳輸�(shù)鞍卓梢詫㈦娮訌陌麅?nèi)傳遞到胞外，最逡逑終將電子傳遞給外膜的氧化還原蛋白（如細(xì)胞色素Ｃ）才有可能使電子到達(dá)ＭＦＣ陽(yáng)極上逡逑電子接受體。逡逑另一種直接傳遞電子的方式“納米導(dǎo)線”——隨著ＭＦＣ電子傳遞機(jī)理的深入研究逡逑也被挖掘出來(lái)［３Ｑ，３５］。如和■Ｓ７？ｅｉｍ？ｅ／／ａ菌屬等特定微生物可以產(chǎn)生導(dǎo)電菌毛（ｅ－逡逑

圖１－３微生物燃料電池陽(yáng)極電子傳遞機(jī)制示意圖逡逑Ｆｉｇ．１－３邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－ｔｒａｎｓｆｅｒ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ａｎｏｄｅ邋ａｎｄ邋ｂａｃｔｅｒｉａ邋ｉｎ邋ＭＦＣ．逡逑圖１－３Ｃ和Ｄ展示了間接電子傳遞機(jī)制示意圖。間接電子傳遞的方式可以按照不同的逡逑中間體來(lái)分類。第一種是，添加外源性的氧化還原介體。１９３１年，（：0１＾１１等［３６］提出ＭＦＣ逡逑功率太低的主要原因是缺少電活性的氧化還原物質(zhì)，從而產(chǎn)生了一系列無(wú)機(jī)物和有機(jī)逡逑物中間體來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。例如，鐵氰化鉀，苯醌類型的物質(zhì)可以加快微生物到電極的逡逑電子傳遞速率。到了九十年代，ＭＦＣ介體的研宄達(dá)到高潮，以吩嗪為主的一大批類似逡逑氧化還原介體紛紛涌現(xiàn)出來(lái)。第二種是，在不添加外源性氧化還原介體的情況下，可以逡逑依靠微生物的二次代謝產(chǎn)物來(lái)間接傳遞電子。當(dāng)微生物細(xì)胞不能與電極表面直接接觸逡逑時(shí)，微生物可能會(huì)代謝電子穿梭體，如胡敏酸，金屬螯合物或者小分子電子穿梭體［３７＿逡逑３９］，這些二次代謝物傳遞電子的速率非�？�，也能極大地提高ＭＦＣ產(chǎn)電性能。但是目前逡逑胞外電子穿梭體很稀有

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 馮雅麗,聯(lián)靜,杜竹瑋,李浩然;無(wú)介體微生物燃料電池研究進(jìn)展[J];有色金屬;2005年02期

本文編號(hào)：2822893