【摘要】：微生物燃料電池(MFCs)利用微生物為催化劑能同時(shí)實(shí)現(xiàn)污水處理和電能回收,因而具有潛在的應(yīng)用價(jià)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(jìn)展和過去十五年的快速發(fā)展,在反應(yīng)器構(gòu)型、材料、微生物和電化學(xué)等方面,取得了大量的進(jìn)展。然而,MFCs依然面臨著低的功率密度和胞外電子轉(zhuǎn)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(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此,設(shè)計(jì)高效的三維(3D)陽極材料是提升MFCs性能和能源轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了產(chǎn)電微生物的快速富集,進(jìn)而探究材料的界面性質(zhì)與組成結(jié)構(gòu)對(duì)促進(jìn)微生物EET的影響機(jī)制。具體研究內(nèi)容如下:采用廉價(jià)、易得的面包作為構(gòu)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?dú)馕矫摳絻x(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(shù)手段對(duì)其化學(xué)組成和物理特性進(jìn)行了表征,系統(tǒng)地探究了焙燒溫度等條件對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)以及化學(xué)組成的影響。結(jié)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(jié)構(gòu)、最優(yōu)的雜原子摻雜量以及優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和好的生物相容性。為了進(jìn)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(chǔ)之上,為了進(jìn)一步促進(jìn)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(jié)構(gòu)中引入導(dǎo)電聚苯胺納米結(jié)構(gòu)(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(shù)手段,研究了3D-OPC-x和3D-OPC-900/PANI陽極材料的宏觀空間結(jié)構(gòu)和微觀孔徑分布、化學(xué)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(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的導(dǎo)電性能。研究了碳基陽極材料的表面組成和結(jié)構(gòu)對(duì)MFCs啟動(dòng)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(dòng)周期、高的功率。相比NPS-CFs,3D-OPC-900/PANI中導(dǎo)電聚苯胺(PANI)的引入對(duì)產(chǎn)電微生物產(chǎn)生了“虹吸”效應(yīng),電池在接種2-3天后就開始啟動(dòng),與傳統(tǒng)碳電極相比啟動(dòng)周期縮短了67%。同時(shí),得益于合理有效的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),3D-OPC-900/PANI復(fù)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?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(yīng)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(guān)系,表明OmcA的氧化還原反應(yīng)受制于擴(kuò)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了利用微生物對(duì)有機(jī)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(shí),NPS-CFs陽極組裝的電池可以成功地驅(qū)動(dòng)了實(shí)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(diǎn)亮了以HIT為序列的LED燈。研究了碳基陽極的表面組成和結(jié)構(gòu)對(duì)微生物菌落組成、分布以及生物相容性的影響。結(jié)果表明,碳基陽極的化學(xué)組成和理化性質(zhì)影響了其表面微生物菌落結(jié)構(gòu)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(dǎo)電細(xì)菌-地桿菌的富集。同時(shí),3D-OPC-900/PANI陽極生物膜的SEM結(jié)果中有納米導(dǎo)線存在,證實(shí)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(jié)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(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(diǎn)。MFCs 是一種利用常溫常壓下將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能、進(jìn)行能量轉(zhuǎn)典型的雙室 MFCs 的反應(yīng)裝置示意圖。

圖 1-2 陽極和微生物間的電子傳輸機(jī)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(yuǎn)低于通過導(dǎo)膜長距離傳遞電子產(chǎn)生的電流。這是因?yàn)榍罢叩漠a(chǎn)電能力受穿梭體擴(kuò)。在開放環(huán)境中，這種傳遞會(huì)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(xì)胞傳遞電子，其產(chǎn)電能力受電極與微生面積的限制。導(dǎo)電性生物膜能產(chǎn)生更高的電流密度，因?yàn)檫@種方式允胞參與電流的產(chǎn)生。但是，上述三種胞外電子轉(zhuǎn)移方式涉及的復(fù)雜過尚不清楚。此外，對(duì)于研究電子傳輸機(jī)制，使用單一菌種有很多優(yōu)勢(shì)。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(jī)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(jìn)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(yīng)器，以石墨棒的處理，如圖 1-3 a)。其中，最大功率密度達(dá)到去除率達(dá)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(jìn)一步對(duì)比和和孔結(jié)構(gòu)對(duì) MFCs 輸出電流的影響。其結(jié)果表序?yàn)椋菏珰?> 石墨綿 > 石墨棒[27]。并且進(jìn)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(hào)：2796396