金微阵列电极结构的电化学特性及其在微生物燃料电池中的应用
发布时间：2021-08-07 19:05
作为一种以微生物为催化剂,将化学能直接转化为电能的新型燃料电池技术,微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells,MFCs）在有机污水处理、环境生物修复和生物传感器等方面展现出了广阔的应用前景,近十年来逐渐引起了科研工作者的广泛关注。尤其MFCs作为生物传感器,在测定生化需氧量、有毒物质和微生物数量及代谢活性等生化分析领域已崭露头角。电极是MFCs的重要组成部分,其性能将直接影响MFCs的产电性能。为改善电化学活性微生物（Electrochemically Active Bacteria,EAB）在电极表面的粘附和加速其与电极表面的电子传递,科研工作者对MFCs中电极的材料与结构开展了深入而广泛的研究。利用紫外光刻法制备的金微阵列电极是由多个金微电极并联组成,它可以保持单个微电极优良的电化学特性（包括较高的稳态电流密度、很短的响应时间、高的传质速度等）,并能通过并联的电极放大检测信号;同时也可以通过自身的结构设计、控制流速和外加电场等手段对微生物进行操控,是电化学和生物学领域十分有效的研究工具。本论文首次尝试将金微阵列电极应用于MFCs的研究中,主要开展了以下几个方面的工作...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２用于ＭＦＣｓ中的电极材料：（Ａ）碳纸；（Ｂ）石墨板；（Ｃ）碳布；（Ｄ）碳网；（Ｅ）石墨??？ＩＪＷｅｉ?ｅｔａ】．
特殊结构的碳电极（如碳刷）容易堵塞，导致产电功能的下降。??Ｃａｒｂｏｎ／?ｇｒａｐｈｉｔｅ??ｂｒｕｓｈｅｓ?ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ??Ｃａｒｂｏｎ／?Ｃｕｔ?ｉｎｔｏ?ｆｉｎｅｒ?ｂｙ?ａ?ｓｔａｉｎｌｅｓｓ?ｓｔｅｅｌ??ｇｒａｐｈｉｔｅ?ｆｉｂｅｒ?ｆｒａｇｍｅｎｔｓ?ｍｅｓｈ??：?＝＝＝＝＝＝?，?＿??——?＾Ｅ＝：ｒ，ｉ???????????????ｍｕ??ＨＨｎＨＩＨＨＨＨ?：：ｒ＝＝ｒｒ＾：?．＾＾Ｋ＞??＿＿＿???????图１．３扩大石墨电极表面积原理（ＳａｒａｔｈｉａｎｄＮａｈｍ，２０１３）??ｂ）增强表面正电荷：研宄发现，微生物表面一般带负电荷（Ｃｈｕｎｇ?ｅｔａｌ．，２００４，??Ｎｅａｌ?ｅｔ?ａｌ．，２００５），电极表面所带的电荷将影响ＥＡＢ在电极表面的富集。最典型??且有效的方法是氨气修饰碳布电极。Ｃｈｅｎｇ?ａｎｄ?．Ｌｏｇａｎ（２００７）?（Ｃｈｅｎｇ?ａｎｄ?Ｌｏｇａｎ，??２００７）以氦气为载气通氨气１?ｈ后，可使碳布的表面正电荷提升到原来的ｌ〇倍以??上，ＭＦＣｓ的启动时间也因此从原来的１５０?ｈ减为６０?ｈ，功率密度则由未经过氨??气处理的１３３０?ｍＷｍ－３升高到１９７０?ｍＷｍ－３。这表明碳布表面正电荷的提高改善??了?ＥＡＢ生物膜的形成。??ｃ）促进电极与ＥＡＢ间电子传递：利用电子介体中性红（Ｐａｒｋ?ｅｔ?ａｌ．，２０００）、蒽??醌（Ｆｅｎｇ?ｅｔ?ａｌ．，２０１０）和萘醌（Ｌｏｗｙ?ｅｔ?ａｌ．，?２００６）等对阳极表面进行修饰，可以提高电??子传递速率，从而提高ＭＦＣｓ产电性能。此外重金属离子（Ｋｉｍ?ｅｔ?ａｌ．，?２００５
的电极材料??事实上在短期内，利用ＭＦＣｓ缓解能源危机和环境污染的威胁并不现实。这??是因为虽然经历了十几年的发展，现有的ＭＦＣｓ仍无法摆脱性能低、成本高和规??模化存在瓶颈的缺点（Ｌｏｇａｎ，?２０１０）。取而代之，在微观尺度下对ＥＡＢ产能的行??为进行研宄却有着更重要的现实意义（Ｃｈｏｉ，２０１５）：?—是微型ＭＦＣｓ的驱动设备??耗能少；二是可对多个ＥＡＢ之间甚至单一?ＥＡＢ的产电行为有更深入而有效的研??宄。??同样的，微观尺度ＭＦＣｓ构型也以双室型（图Ｉ．４ａ）和单室型（图１．４ｂ和ｃ）两??个类型为主。但基于目前的微细加工技术的实验要求和条件，双室型ＭＦＣｓ和单??室型ＭＦＣｓ都存在它需要克服的制造难点。双室型所必须的ＰＥＭ膜会提高装置??的制造成本和复杂性；而单室型的空气阴极与微细加工技术不兼容且要求昂贵的??催化剂和Ｎａｆｉｏｎ溶液。??Ｏ?Ｃａｔｔｉａｉｙａ?Ｋ?．?．?．?Ａ??ｙ?＾０＾?ｊａｒ?＊??ｔ?…‘痛ＰＭＭＡｐｉｉｔｅ??图１．４微型ＭＦＣｓ常见构型：（ａ）双室型；（ｂ）和（ｃ）单室型；（ｄ）层流型。（Ｃｈｏｉ，?２０１５）??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]微生物燃料电池反应器构型设计[J]. 马骏,苏冬云,濮海坤,汪兴兴,陈青青. 电源技术. 2015(10)
[2]微生物燃料电池电极材料研究进展[J]. 綦琪,王许云,贾云. 科技导报. 2015(14)
[3]微生物燃料电池不同离子强度的实验研究[J]. 唐艳. 北京联合大学学报(自然科学版). 2015(02)
[4]渗透压对细菌的影响[J]. 陈燕飞. 太原师范学院学报(自然科学版). 2012(01)
[5]核黄素的循环伏安特性及生物学功能[J]. 马英吉,李铉军,崔胜云. 延边大学学报(自然科学版). 2010(01)
[6]微电极阵列的制备及电化学性质的研究[J]. 池晓雷,陆婷,汪学英,尹凡. 常熟理工学院学报. 2010(02)
[7]生命分析化学的重要领域——电化学微阵列芯片[J]. 许丹科,陈洪渊. 化学进展. 2009(11)
[8]鲁米诺在玻碳电极上的电化学行为[J]. 李献锐,朱梅英,王庆飞. 河北师范大学学报(自然科学版). 2007(04)
[9]黄铁矿微生物浸出体系中的表面热力学和扩展DLVO理论[J]. 顾帼华,锁军,柳建设,钟素姣. 中国有色金属学报. 2006(08)
[10]Relationship between antibacterial activity of chitosan and surface characteristics of cell wall[J]. Ying-chien CHUNG,Chiing-chang CHEN,Huey-lan WANG,J C Gaston WU,Jaung-geng LIN. Acta Pharmacologica Sinica. 2004(07)
本文编号：3328362
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２用于ＭＦＣｓ中的电极材料：（Ａ）碳纸；（Ｂ）石墨板；（Ｃ）碳布；（Ｄ）碳网；（Ｅ）石墨??？ＩＪＷｅｉ?ｅｔａ】．
特殊结构的碳电极（如碳刷）容易堵塞，导致产电功能的下降。??Ｃａｒｂｏｎ／?ｇｒａｐｈｉｔｅ??ｂｒｕｓｈｅｓ?ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ??Ｃａｒｂｏｎ／?Ｃｕｔ?ｉｎｔｏ?ｆｉｎｅｒ?ｂｙ?ａ?ｓｔａｉｎｌｅｓｓ?ｓｔｅｅｌ??ｇｒａｐｈｉｔｅ?ｆｉｂｅｒ?ｆｒａｇｍｅｎｔｓ?ｍｅｓｈ??：?＝＝＝＝＝＝?，?＿??——?＾Ｅ＝：ｒ，ｉ???????????????ｍｕ??ＨＨｎＨＩＨＨＨＨ?：：ｒ＝＝ｒｒ＾：?．＾＾Ｋ＞??＿＿＿???????图１．３扩大石墨电极表面积原理（ＳａｒａｔｈｉａｎｄＮａｈｍ，２０１３）??ｂ）增强表面正电荷：研宄发现，微生物表面一般带负电荷（Ｃｈｕｎｇ?ｅｔａｌ．，２００４，??Ｎｅａｌ?ｅｔ?ａｌ．，２００５），电极表面所带的电荷将影响ＥＡＢ在电极表面的富集。最典型??且有效的方法是氨气修饰碳布电极。Ｃｈｅｎｇ?ａｎｄ?．Ｌｏｇａｎ（２００７）?（Ｃｈｅｎｇ?ａｎｄ?Ｌｏｇａｎ，??２００７）以氦气为载气通氨气１?ｈ后，可使碳布的表面正电荷提升到原来的ｌ〇倍以??上，ＭＦＣｓ的启动时间也因此从原来的１５０?ｈ减为６０?ｈ，功率密度则由未经过氨??气处理的１３３０?ｍＷｍ－３升高到１９７０?ｍＷｍ－３。这表明碳布表面正电荷的提高改善??了?ＥＡＢ生物膜的形成。??ｃ）促进电极与ＥＡＢ间电子传递：利用电子介体中性红（Ｐａｒｋ?ｅｔ?ａｌ．，２０００）、蒽??醌（Ｆｅｎｇ?ｅｔ?ａｌ．，２０１０）和萘醌（Ｌｏｗｙ?ｅｔ?ａｌ．，?２００６）等对阳极表面进行修饰，可以提高电??子传递速率，从而提高ＭＦＣｓ产电性能。此外重金属离子（Ｋｉｍ?ｅｔ?ａｌ．，?２００５
的电极材料??事实上在短期内，利用ＭＦＣｓ缓解能源危机和环境污染的威胁并不现实。这??是因为虽然经历了十几年的发展，现有的ＭＦＣｓ仍无法摆脱性能低、成本高和规??模化存在瓶颈的缺点（Ｌｏｇａｎ，?２０１０）。取而代之，在微观尺度下对ＥＡＢ产能的行??为进行研宄却有着更重要的现实意义（Ｃｈｏｉ，２０１５）：?—是微型ＭＦＣｓ的驱动设备??耗能少；二是可对多个ＥＡＢ之间甚至单一?ＥＡＢ的产电行为有更深入而有效的研??宄。??同样的，微观尺度ＭＦＣｓ构型也以双室型（图Ｉ．４ａ）和单室型（图１．４ｂ和ｃ）两??个类型为主。但基于目前的微细加工技术的实验要求和条件，双室型ＭＦＣｓ和单??室型ＭＦＣｓ都存在它需要克服的制造难点。双室型所必须的ＰＥＭ膜会提高装置??的制造成本和复杂性；而单室型的空气阴极与微细加工技术不兼容且要求昂贵的??催化剂和Ｎａｆｉｏｎ溶液。??Ｏ?Ｃａｔｔｉａｉｙａ?Ｋ?．?．?．?Ａ??ｙ?＾０＾?ｊａｒ?＊??ｔ?…‘痛ＰＭＭＡｐｉｉｔｅ??图１．４微型ＭＦＣｓ常见构型：（ａ）双室型；（ｂ）和（ｃ）单室型；（ｄ）层流型。（Ｃｈｏｉ，?２０１５）??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]微生物燃料电池反应器构型设计[J]. 马骏,苏冬云,濮海坤,汪兴兴,陈青青. 电源技术. 2015(10)
[2]微生物燃料电池电极材料研究进展[J]. 綦琪,王许云,贾云. 科技导报. 2015(14)
[3]微生物燃料电池不同离子强度的实验研究[J]. 唐艳. 北京联合大学学报(自然科学版). 2015(02)
[4]渗透压对细菌的影响[J]. 陈燕飞. 太原师范学院学报(自然科学版). 2012(01)
[5]核黄素的循环伏安特性及生物学功能[J]. 马英吉,李铉军,崔胜云. 延边大学学报(自然科学版). 2010(01)
[6]微电极阵列的制备及电化学性质的研究[J]. 池晓雷,陆婷,汪学英,尹凡. 常熟理工学院学报. 2010(02)
[7]生命分析化学的重要领域——电化学微阵列芯片[J]. 许丹科,陈洪渊. 化学进展. 2009(11)
[8]鲁米诺在玻碳电极上的电化学行为[J]. 李献锐,朱梅英,王庆飞. 河北师范大学学报(自然科学版). 2007(04)
[9]黄铁矿微生物浸出体系中的表面热力学和扩展DLVO理论[J]. 顾帼华,锁军,柳建设,钟素姣. 中国有色金属学报. 2006(08)
[10]Relationship between antibacterial activity of chitosan and surface characteristics of cell wall[J]. Ying-chien CHUNG,Chiing-chang CHEN,Huey-lan WANG,J C Gaston WU,Jaung-geng LIN. Acta Pharmacologica Sinica. 2004(07)
本文编号：3328362
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