面向紧凑式高性能微生物燃料电池的耐氧生物阳极构建与调控

发布时间：2025-02-11 20:28

　　紧凑式微生物燃料电池（Compact-Electrode Assembly Microbial Fuel Cells,CEA-MFCs）通过将阳极、绝缘分隔层和阴极压合在一起,最大程度减少MFCs的溶液内阻,被认为是目前最适于放大化的反应器构型。然而,随着电极间距的减小,从空气阴极侧扩散至阳极附近的氧气也随之增加,抑制生物阳极的产电。因此,解决阳极“氧气污染”已成为开发高性能CEA-MFCs的关键。本论文深入探究氧气对阳极生物膜成膜过程的影响,通过阳极生物膜生长成膜定向调控,构建高性能耐氧型阳极生物膜,开发高性能CEA-MFCs。首先开发了碳纳米角修饰阳极和接种物筛选两种手段提高生物阳极电化学性能。采用单壁碳纳米角修饰阳极显著降低阳极阻抗,提升阳极性能,效果优于活性炭和碳纳米管。采用来自单室空气阴极MFCs阳极生物膜的阳极接种物构建的阳极生物膜相比于来自阴极生物膜的阴极接种物构建的阳极生物膜具有更好的接种效果。但接种物类型好氧或厌氧对接种后阳极生物膜耐氧能力的提升不大。探究了不同氧分压下阳极生物膜的成膜过程、生物膜结构和产电机理。厌氧条件下,阳极生物膜形成由Geobacter主导的单层致...

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【部分图文】：

图1-1近十五年MFCs相关论文的发表和引用次数（英文文献数据来源于WebofScience，中文文献数据来源于知网）

浙江大学博士学位论文第一章绪论2COD值过低，容易造成生物污泥的流失，影响系统运行的稳定性[6]；最后，厌氧生物消化过程需要较高的环境温度（通常为30℃以上）和较长的代谢周期（通常在10天以上）。微生物燃料电池（MicrobialFuelCells，MFCs）是一种利用附着在电池....

图1-2MFCs基本原理示意图（以氧气作为电子受体为例）

浙江大学博士学位论文第一章绪论3外电子传递链传递至阳极材料并通过外电路转移至电池阴极；在阴极，溶液中的氢离子、外电路转移来的电子与吸附在电极表面的电子受体（氧气、三价铁盐、非金属含氧酸盐等）发生还原反应，形成闭合产电回路（图1-2）。以电子供体为乙酸钠、电子受体为氧气为例，MFC....

图1-3不同构型微生物燃料电池照片

浙江大学博士学位论文第一章绪论5采用单室空气阴极MFCs处理废水时，由于废水的溶液导电性低和复杂基质的生物降解动力学差，MFCs处理实际废水时获得的典型功率密度（<0.5W/m2）要远小于实验室规模MFCs在最优条件下（30°C，20mS/cm溶液导电度，中性pH）的典型最大功率....

图1-4紧凑式空气阴极微生物燃料电池构型示意图

浙江大学博士学位论文第一章绪论6紧凑式空气阴极MFCs的优势显著。首先，减少阴阳两极间距离极大地降低了MFCs的溶液内阻和溶液体积，紧凑式空气阴极MFCs获得的最大体积功率密度通常在1000W/m3以上[24,26,33,34]，是目前国际上报道的体积功率密度最大的空气阴极MFC....

本文编号：4033808