多功能纳米材料用于微生物燃料电池阳极的研究

发布时间：2018-04-22 14:08

本文选题：生物电化学 + 微生物燃料电池　；参考：《南京大学》2017年博士论文

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)是一类以微生物为反应催化剂,将燃料中的化学能转化为电能的装置。MFCs既是一种新型清洁能源,也可以作为污水处理技术,已成为了目前的研究热点。然而,由于它较差的产电性能和使用寿命,MFCs距离实际应用还较遥远。影响MFCs性能的因素有很多。其中,作为微生物催化剂的载体,MFCs阳极决定着微生物的负载量、微生物的长时间稳定性以及电极/微生物催化剂之间的电子传递速率,对MFCs的产电性能和使用寿命有着尤为重要的影响。因此,本论文基于四氧化三铁、导电聚合物和碳基纳米材料独特的物理化学性质以及良好的生物相容性,构建了高效稳定的MFCs。一方面探究了四氧化三铁用于提高MFCs稳定性的机理,同时优化电极结构开发了产电性能更为优异的MFCs;另一方面结合喷墨打印技术构建了可高通量生产的高性能MFCs电极,同时从产电菌和电极材料的结合方式入手,开创性地提出了导电纳米材料包埋细菌的策略,显著地提高了产电菌的直接电子转移效率。主要工作内容如下:1、石墨烯/四氧化三铁(G/Fe_3O_4)复合材料用作阳极增强微生物燃料电池寿命和电流输出的研究四氧化三铁与希瓦氏菌属之间存在着生物亲和力,因此细菌可以快速地附着到阳极材料表面并保持长期活性,从而缩短了微生物燃料电池的启动时间,提高了电池的使用寿命。另一方面,石墨烯的引入不仅拓展了微生物附着的面积,同时也弥补了四氧化三铁导电性的不足,进而加速了胞外电子传递速率。所以,G/Fe_3O_4为阳极构建的微生物燃料电池的产电性能优于单独石墨烯或单独Fe_3O_4为阳极构建的微生物燃料电池。2、细菌生物亲和性的三维多孔石墨烯/多壁碳纳米管/四氧化三铁(G/WMCNTs/Fe_3O_4)泡沫用于微生物燃料电池阳极的研究利用水热法,结合冷冻干燥技术,制备了三维多孔石墨烯泡沫(3D G/WMCNTs/Fe_3O_4),并用作MFCs的阳极。首先,该阳极的三维多孔结构为细菌进入电极内部提供通道;其次,MWCNTs在石墨烯片层间的插入可有效防止石墨烯的堆垛,进一步拓展了细菌附着的面积,并提高电极的导电性;最后,Fe_3O_4与细菌之间的生物亲和力可加速细菌的附着和维持细菌的长期活性。基于上述优点,该阳极具有很高的微生物负载能力,优异的生物相容性以及增强的电子捕获能力。因此,与传统的石墨棒相比,3D G/WMCNTs/Fe_3O_4泡沫构建的MFCs展现出了更高的产电性能和更长的使用寿命。3、喷墨打印制备的聚苯胺水凝胶/碳纸电极用于微生物燃料电池阳极的研究利用喷墨打印技术,开创性地将多孔聚苯胺气凝胶喷墨打印到碳纸基底上,并用于构建MFCs。基于喷墨打印技术的特点,构建的电极呈现点阵结构,且制备过程简单快速、尺寸大小可控、重复性好。另外,由于聚苯胺的多孔结构、优异的导电性及其正电骨架结构能够静电吸引更多表面带负电的产电菌,该阳极构建的MFCs的功率密度与裸碳纸阳极相比提高了 6.1倍。本工作开发了一种尺寸可控、高通量、高性能的MFCs阳极,促进了微生物燃料电池的实际应用研究,同时也开启了喷墨打印技术应用的新前景。4、聚吡咯包裹的产电菌用于构建高性能微生物燃料电池的研究提出并验证了利用导电纳米材料修饰产电菌来提高MFCs性能的策略。通过原位聚合的方法,在产电菌表面包裹上聚吡咯(PPy),并负载在碳毡电极上,用于MFCs阳极。结果表明,表面修饰上PPy后,细菌的导电性得到大幅提高,且活性并未受到影响。由于Shewanella ondidensisMR-1的电子传递蛋白(细胞色素C)位于细胞表面,表面修饰上导电性的PPy后,有助于加快微生物与电极之间的电子传递,进而提高了 MFCs的产电性能。此外,利用该原位聚合法,我们成功地将PPy包覆在其它三种细菌的表面,证实了该方法的广谱性,有望提高其它生物体的导电性并应用于相关领域。
[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 .

【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;TM911.45

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