微生物燃料电池阳极胞外电子传递促进机制研究

论文摘要

产电功率低制约了微生物燃料电池（MFC）的放大应用。提高阳极性能成为解决问题的方法之一,其中产电机制的研究成为制约阳极性能的关键,特别是细胞产电生物膜到电极的电子传导过程,本文中通过在电极表面改性一层纳米铁氧化物,探寻金属氧化物修饰电极促进阳极电极电子传递的机制,同时探讨阳极材料本身具有的电容特性对阳极电子传递过程的影响。结果显示,铁氧化物的加入能够大大促进阳极的产电性能,可获得比对照体系高4-6倍的生物电流,伴随着电池内阻的降低和开路电压的增加;CV扫描显示铁氧化物表层被微生物还原产生的Fe2+与电池产电性能呈线性正相关,而Fe2+的浓度与铁氧化物的类型、结晶度、微生物的铁还原能力直接相关,较高的比表面积和较低的结晶度以及较高的细菌铁还原能力能够加速这个过程,由此证明了铁氧化物-Fe3+/铁氧化物-Fe2+在体系中起到了关键的电子穿梭作用,铁氧化物代替电极成为细菌胞外有效的电子受体。通过电化学修饰的铁氧化物能够提高电极上微生物的电化学活性,生物数量大大增加,Fe2+浓度增加,可获得高达1500mW·m-2的功率密度(高于空白189mW·m-2的8倍)和较低的电池内阻,由此验证了Fe2+在体系的电子穿梭作用通过电化学方式在电极表层修饰一层RuO2或PPY/AQS晶体,探寻电极材料电容性与产电功率之间的关系。结果显示,经过RuO2和PPY/AQS修饰的阳极电池获得较未修饰大5倍和16倍的产电功率,最大可达3000mW·m-2;CV结果显示微生物的电化学活性增强;EIS显示电池内阻随着修饰量的增大而减小;结果证明电极上修饰电容量的大小与产电功率呈线性正相关,即电容量越大产电功率约高,电子传递效率更好。电容材料表面具有的快速充放电特性改变了胞外电子直接以电极为电子受体的传递方式,而是优先通过电容材料的充电和放电过程,由此提高电子传递效率,成为一种新的阳极胞外电子传递方式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微生物燃料电池简介
• 1.2.1 微生物燃料电池的发展历程
• 1.2.2 微生物燃料电池的原理与特点
• 1.2.3 微生物燃料电池的应用领域
• 1.2.4 影响微生物燃料电池的主要因素
• 1.3 微生物燃料电池阳极电子传递机制研究
• 1.3.1 生物膜产电机制
• 1.3.2 电子穿梭产电机制
• 1.3.3 存在的问题与发展方向
• 1.4 MFC 阳极材料改性研究现状
• 1.4.1 材料的选型
• 1.4.2 复合电极材料
• 1.4.3 材料的修饰改性
• 1.4.4 纳米电极材料
• 1.5 超级电容器原理和特点
• 1.6 本文研究内容与意义
• 1.6.1 本文研究内容
• 1.6.2 本文研究意义
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验仪器和化学试剂
• 2.2 材料准备与试剂制备
• 2.2.1 纳米铁氧化物的制备
• 2.2.2 电极材料的预处理
• 2.2.3 MFC 阳极培养基
• 2.2.4 MFC 阴极液
• 2.3 微生物的培养与富集
• 2.3.1 微生物的种类与特点
• 2.3.2 微生物的富集
• 2.4 研究方法与设计
• 2.4.1 生物电化学体系的构建与运行
• 2.4.2 微生物燃料电池的构建与启动
• 2.5 性能表征分析方法
• 2.5.1 功率密度与极化曲线
• 2.5.2 库仑电子利用效率
• 2.5.3 Fe（Ⅱ）的测定
• 2.5.4 X-射线衍射（XRD）
• 2.5.5 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.5.6 循环伏安扫描测试
• 2.5.7 电化学阻抗谱测试
• 第三章 铁氧化物促进MFC 阳极电子传递的机制研究
• 2O₃ 纳米氧化物对MFC 阳极性能的影响'>3.1 α-Fe₂O₃ 纳米氧化物对MFC 阳极性能的影响
• 3.1.1 i-t 生物产电性能
• 3.1.2 循环伏安法扫描
• 3.1.3 电化学阻抗谱性能
• 3.1.4 生物电池电压性能
• 2O₃ 纳米氧化物对MFC 阳极性能影响'>3.2 不同浓度的α-Fe₂O₃ 纳米氧化物对MFC 阳极性能影响
• 3.2.1 i-t 生物产电性能
• 3.2.2 循环伏安法扫描
• 3.2.3 电化学阻抗谱性能
• 3.3 不同种类铁氧化物对MFC 阳极性能的影响
• 3.3.1 i-t 生物产电性能
• 3.3.2 循环伏安法扫描
• 3.3.3 生物燃料电池电压性能
• 3.3.4 功率密度与极化曲线
• 3.3.5 电化学阻抗谱测试
• 2O₃ 氧化物对MFC 阳极性能影响'>3.4 不同结晶度的α-Fe₂O₃ 氧化物对MFC 阳极性能影响
• 3.5 数据分析与讨论
• 3.5.1 电子扫描电镜SEM 数据分析
• 3.5.2 亚铁浓度与性能关联图
• 3.5.3 铁离子中介体对电子传递的促进作用
• 3.5.4 可能的电子传递机理
• 3.6 本章小结
• 第四章 电化学修饰铁氧化物提高MFC 阳极性能研究
• 4.1 修饰电极的制备与分析
• 4.2 电极修饰铁氧化物对MFC 性能的影响
• 4.2.1 i-t 生物产电性能
• 4.2.2 生物燃料电池电压性能
• 4.2.3 功率密度与极化曲线
• 4.2.4 循环伏安测试
• 4.3 SEM 数据分析与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 电容性促进MFC 阳极电子传递机制研究
• 2 修饰电极的制备与表征'>5.1 RuO₂修饰电极的制备与表征
• 2 修饰电极对MFC 阳极性能的影响'>5.2 RuO₂ 修饰电极对MFC 阳极性能的影响
• 5.2.1 生物燃料电池产电性能
• 5.2.2 功率密度与极化曲线性能
• 5.2.3 循环伏安法扫描
• 5.2.4 电化学阻抗谱测试
• 5.3 PPY/AQS 修饰电极对MFC 阳极性能的影响
• 5.3.1 PPY/AQS 修饰电极的制备
• 5.3.2 生物燃料电池产电性能
• 5.3.3 功率密度与极化曲线性能
• 5.3.4 电化学阻抗谱测试
• 5.4 修饰不同电容量对MFC 阳极性能的影响
• 5.4.1 修饰不同电容量电极的制备
• 5.4.2 不同电容量的定量表征与计算
• 5.4.3 产电功率密度性能比较
• 5.4.4 电化学阻抗谱测试
• 5.4.5 电容量与产电性能关联作用
• 5.5 数据分析与讨论
• 5.5.1 电子扫描电镜SEM 数据分析
• 5.5.2 可能存在的电子传递机理
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附表