纳米多孔碳纤维材料的制备及其促进微生物燃料电池阳极界面电子转移机制研究

发布时间：2020-06-11 08:03

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一种利用微生物作为催化剂将有机物的化学能直接转化为电能的装置,其中电极和微生物之间缓慢的界面电子转移过程是制约其阳极生物电催化性能的主要障碍之一。近年来,为了促进电极与微生物间的界面电子转移,各种多孔电极材料,尤其是一些具有纳米结构单元的多孔材料被应用于MFC阳极,显著提升了MFC的产电性能,然而由于MFC阳极界面电子转移过程除涉及微生物细胞的多条胞外电子传递途径外,还受到电极表面电活性生物膜的形态、分布以及电极本身微纳结构的影响。弄清纳米孔与大孔结构促进界面电子转移的具体机制将有助于逐步明确纳米结构阳极界面电子转移机制,为新型电极材料的设计提供理论依据。本论文利用静电纺丝技术制备多种具有纳米孔结构的碳纤维电极,通过对造孔模板的选择及其聚丙烯腈前驱体配比的调控,构筑具有不同的纤维内部孔结构以及纤维间隙的碳纤维网络,并针对典型产电菌株——腐败希瓦氏菌CN32进行了阳极界面电子转移过程的电化学行为分析,对不同孔结构促进界面电子转移的可能机制进行了初步探讨。主要研究内容及结果如下:(1)为了制备多孔碳纤维材料,采用静电纺丝技术,以聚丙烯腈(PAN)为前驱体,氧化锌纳米颗粒为造孔模板,经预氧化、碳化和后处理合成了三种不同结构的多孔碳纤维材料,并将其用于希瓦氏菌CN32 MFC中,探索孔结构对电极界面电子转移的作用。由于氧化锌纳米颗粒难以在静电纺丝前驱体溶液中均匀分散,获得的多孔碳纤维孔分布不均匀,但与未造孔的碳化PAN纤维相比,电极表面黄素类电子介体的吸附量有所增加,并且具有较大的催化电流,在希瓦氏菌CN32 MFC中也具有较高的输出功率密度。由此得出结论,在PAN前驱体上引入纳米尺寸孔结构能够促进所获得碳纤维电极的界面电子转移,但需要找到一种能够在其中均匀分散的纳米粒子作为模板,以形成均匀分布的纳米孔结构。(2)在前一研究的基础上,将金属有机框架ZIF-8(Zeolitic imidazolate framework-8)与PAN复合,通过调整前驱体中ZIF-8模板的质量分数,获得了三种不同结构的纳米多孔碳纤维(MPCF)材料。随着前驱体中ZIF-8含量的增加,所得到的MPCF纤维直径增大,纤维间隙(大孔)增大,纳米孔增多。纳米孔的大量存在促进了黄素类电子介体界面电子转移,大孔的存在提高了细菌的负载量。但是,较宽的纤维之间过大的宏观孔隙会阻碍生物膜的形成,导致缺乏有效的界面电子迁移。实验表明,具有适当的大孔尺寸和纳米孔体积的MPCF-2阳极获得了最佳的功率输出性能,其在CN32 MFC中的最大功率密度为997±467 mW m~(-2),比碳布电极高10倍。综上所述,纳米尺寸孔结构主要促进基于小分子介体的界面电子转移过程,而大孔结构对电极表面生物膜的形态结构有着重要影响,也随之影响了胞外直接电子传递过程。对阳极多孔结构的有效调控是加快电极界面电子转移,实现高效的生物电催化反应,提高微生物燃料电池输出效率的有效途径。
【图文】：

图 1.1 H 型双室微生物燃料电池结构原理示意图[1]。理：阳极室中的产电微生物在微厌氧或厌氧条件下有机物如乳酸、葡萄糖或污水等氧化生成质子、二产生胞内电子，胞内电子一部分用于合成微生物自通过微生物的电子传递链直接或者自分泌的氧化阳极电极获得的电子通过外接电路传递至阴极室的时，阳极微生物代谢产生的质子从阳极室通过质子达阴极室，然后在阴极催化剂作用下，阴极液中的子结合生成水，即氧还原反应。整体过程以葡萄糖葡萄糖被微生物氧化产生质子与电子，反应式：6H6O6+ 6 H2O → 6 CO2+ 24 e-+ 24 H+得到电子生成水，反应式： O2+ 24 e-+ 24 H+→ 12 H2O 分类类别有六种：1、根据电池结构分为双室和单室为有膜和无膜型；3、根据阳极界面电子转移类型

第 1 章 绪论)在电极和微生物之间加速生物催化电化学过程。虽然产电微生物种类各主要的胞外电子传递方式大同小异。一般情况下，在不添加人工电子介质，外电源到微生物电极上的 EET 主要通过图 1.2 所示两种机制进行：1、传递(directelectrontransfer，DET)，，通常通过细胞外膜色素蛋白(outermempe cytochromes, OMCs)直接接触和导电细菌纳米线介导； 2、间接电子diatedelectrontransfer,MET)，是通过自身分泌或存在于自然环境中的电子来完成的。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ340.64;TB383.1;TM911.45

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