發(fā)布時間：2020-06-11 08:03

【摘要】：微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一種利用微生物作為催化劑將有機物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置,其中電極和微生物之間緩慢的界面電子轉(zhuǎn)移過程是制約其陽極生物電催化性能的主要障礙之一。近年來,為了促進電極與微生物間的界面電子轉(zhuǎn)移,各種多孔電極材料,尤其是一些具有納米結(jié)構(gòu)單元的多孔材料被應(yīng)用于MFC陽極,顯著提升了MFC的產(chǎn)電性能,然而由于MFC陽極界面電子轉(zhuǎn)移過程除涉及微生物細胞的多條胞外電子傳遞途徑外,還受到電極表面電活性生物膜的形態(tài)、分布以及電極本身微納結(jié)構(gòu)的影響。弄清納米孔與大孔結(jié)構(gòu)促進界面電子轉(zhuǎn)移的具體機制將有助于逐步明確納米結(jié)構(gòu)陽極界面電子轉(zhuǎn)移機制,為新型電極材料的設(shè)計提供理論依據(jù)。本論文利用靜電紡絲技術(shù)制備多種具有納米孔結(jié)構(gòu)的碳纖維電極,通過對造孔模板的選擇及其聚丙烯腈前驅(qū)體配比的調(diào)控,構(gòu)筑具有不同的纖維內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)以及纖維間隙的碳纖維網(wǎng)絡(luò),并針對典型產(chǎn)電菌株——腐敗希瓦氏菌CN32進行了陽極界面電子轉(zhuǎn)移過程的電化學(xué)行為分析,對不同孔結(jié)構(gòu)促進界面電子轉(zhuǎn)移的可能機制進行了初步探討。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:(1)為了制備多孔碳纖維材料,采用靜電紡絲技術(shù),以聚丙烯腈(PAN)為前驅(qū)體,氧化鋅納米顆粒為造孔模板,經(jīng)預(yù)氧化、碳化和后處理合成了三種不同結(jié)構(gòu)的多孔碳纖維材料,并將其用于希瓦氏菌CN32 MFC中,探索孔結(jié)構(gòu)對電極界面電子轉(zhuǎn)移的作用。由于氧化鋅納米顆粒難以在靜電紡絲前驅(qū)體溶液中均勻分散,獲得的多孔碳纖維孔分布不均勻,但與未造孔的碳化PAN纖維相比,電極表面黃素類電子介體的吸附量有所增加,并且具有較大的催化電流,在希瓦氏菌CN32 MFC中也具有較高的輸出功率密度。由此得出結(jié)論,在PAN前驅(qū)體上引入納米尺寸孔結(jié)構(gòu)能夠促進所獲得碳纖維電極的界面電子轉(zhuǎn)移,但需要找到一種能夠在其中均勻分散的納米粒子作為模板,以形成均勻分布的納米孔結(jié)構(gòu)。(2)在前一研究的基礎(chǔ)上,將金屬有機框架ZIF-8(Zeolitic imidazolate framework-8)與PAN復(fù)合,通過調(diào)整前驅(qū)體中ZIF-8模板的質(zhì)量分數(shù),獲得了三種不同結(jié)構(gòu)的納米多孔碳纖維(MPCF)材料。隨著前驅(qū)體中ZIF-8含量的增加,所得到的MPCF纖維直徑增大,纖維間隙(大孔)增大,納米孔增多。納米孔的大量存在促進了黃素類電子介體界面電子轉(zhuǎn)移,大孔的存在提高了細菌的負載量。但是,較寬的纖維之間過大的宏觀孔隙會阻礙生物膜的形成,導(dǎo)致缺乏有效的界面電子遷移。實驗表明,具有適當?shù)拇罂壮叽绾图{米孔體積的MPCF-2陽極獲得了最佳的功率輸出性能,其在CN32 MFC中的最大功率密度為997±467 mW m~(-2),比碳布電極高10倍。綜上所述,納米尺寸孔結(jié)構(gòu)主要促進基于小分子介體的界面電子轉(zhuǎn)移過程,而大孔結(jié)構(gòu)對電極表面生物膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)有著重要影響,也隨之影響了胞外直接電子傳遞過程。對陽極多孔結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控是加快電極界面電子轉(zhuǎn)移,實現(xiàn)高效的生物電催化反應(yīng),提高微生物燃料電池輸出效率的有效途徑。
【圖文】：

圖 1.1 H 型雙室微生物燃料電池結(jié)構(gòu)原理示意圖[1]。理：陽極室中的產(chǎn)電微生物在微厭氧或厭氧條件下有機物如乳酸、葡萄糖或污水等氧化生成質(zhì)子、二產(chǎn)生胞內(nèi)電子，胞內(nèi)電子一部分用于合成微生物自通過微生物的電子傳遞鏈直接或者自分泌的氧化陽極電極獲得的電子通過外接電路傳遞至陰極室的時，陽極微生物代謝產(chǎn)生的質(zhì)子從陽極室通過質(zhì)子達陰極室，然后在陰極催化劑作用下，陰極液中的子結(jié)合生成水，即氧還原反應(yīng)。整體過程以葡萄糖葡萄糖被微生物氧化產(chǎn)生質(zhì)子與電子，反應(yīng)式：6H6O6+ 6 H2O → 6 CO2+ 24 e-+ 24 H+得到電子生成水，反應(yīng)式： O2+ 24 e-+ 24 H+→ 12 H2O 分類類別有六種：1、根據(jù)電池結(jié)構(gòu)分為雙室和單室為有膜和無膜型；3、根據(jù)陽極界面電子轉(zhuǎn)移類型

第 1 章 緒論)在電極和微生物之間加速生物催化電化學(xué)過程。雖然產(chǎn)電微生物種類各主要的胞外電子傳遞方式大同小異。一般情況下，在不添加人工電子介質(zhì)，外電源到微生物電極上的 EET 主要通過圖 1.2 所示兩種機制進行：1、傳遞(directelectrontransfer，DET)，，通常通過細胞外膜色素蛋白(outermempe cytochromes, OMCs)直接接觸和導(dǎo)電細菌納米線介導(dǎo)； 2、間接電子diatedelectrontransfer,MET)，是通過自身分泌或存在于自然環(huán)境中的電子來完成的。
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ340.64;TB383.1;TM911.45

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本文編號：2707622