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电子中介体固定化及其在微生物燃料电池阳极的应用

王凯鹏  
【摘要】:微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)利用微生物(细菌)的催化氧化能力将储存于生物质中的化学能转化为电能。与传统化学燃料电池使用的贵金属催化剂相比,微生物催化剂种类繁多、催化性能广谱高效、可以直接以天然的碳水化合物甚至城市与工业废水中的有机物等作为燃料。因此,MFC可望在处理废弃物的同时产生电能,从而成为解决能源危机及环境污染问题的有效方法。当前影响MFCs技术推广的瓶颈之一是细菌体与电极之间的电子传递效率较低。本论文致力于发展氧化还原中介体的固定化技术,以此构建具有氧化还原活性的微生物催化阳极,提高电极与细菌的电子迁移速率,同时避免氧化还原中介体流失所带来的成本和二次污染问题。论文具体研究内容与结果如下: 论文首先建立了一种无腔室连续流结构的微生物燃料电池反应器并将其用于污水混合菌的驯化条件和阳极电极材料优化研究。研究结果表明,培养液的化学需氧(COD)负荷、电极材料以及放电电流对微生物燃料电池的性能都有直接影响。在驯化的初始阶段培养液的COD负荷和电流不宜过大,否则会影响厌氧微生物代谢,导致其丧失电活性;以20%PTFE石墨膜作为阳极电极材料,其孔径大小与厌氧微生物个体大小更为匹配,同时也具有较高的孔隙率,表现出最好的阳极性能。 基于中性红分子具有良好的氧化还原活性和生物兼容性、以及氧化还原电位与细菌呼吸链上端电势最负的电子载体NAD+/NADH内氧化还原电位(-320 mVvs. NHE)相匹配等特点,我们选择其作为MFC阳极与细菌催化剂的电子传递中介。我们发展了三种中性红修饰MFC阳极的方法来构建高效细菌催化电极,分别叙述如下: (])通过多步酰化反应将中性红单体共价键合在碳电极表而。首先通过氧化将碳电极表面羧酸化,再将羧基转化为酰氯基,然后与中性红单体进行酰胺反应。结果表明,该多步酰化反应能够显著地增加中性红在电极表面的数量,且不影响其氧化还原可逆性。以此方法制备的微生物阳极可显著提高污水燃料电池的输出功率。最大放电电流密度和功率密度从未修饰前的1300 mA m-2和620 mWm-2分别提高到1500 mA m-2和900 mW m-2。 (2)通过在聚四乙烯基吡啶(PVP)高分子骨架链上引入溴己酸,形成带支链结构的聚合物,随后经过多步酰化反应将中性红链接在该聚合物的支链上形成具有氧化还原活性的水凝胶聚合物。该水凝胶表现出良好的氧化还原活性,且其氧化还原电位也与NAD+/NADH相匹配。经该水凝胶修饰的MFC碳阳极给出较普通碳电极更负的阳极电势(-0.46 mV vs-0.355 mV)和更高的燃料利用效率(94%vs 65%),MFC的输出功率密度和电流密度提升分别达到950 mW m-2和1550 mA m-2。 (3)以具有良好生物兼容性的天然水凝胶材料海藻酸钠和纤维素作为固定化材料,利用层层自组装技术并结合絮凝作用,在碳电极表面形成富集中性红的纤维素/海藻酸钠复合水凝胶膜。该水凝胶复合膜的生物亲和性便于细菌催化剂的富集,其中的中性红则加速细菌的生长并充当胞外电子传递介质,从而将细菌代谢电子传递到电极,实现细菌的电催化功能。电化学测试结果表明“纤维素/海藻酸钠”水凝胶复合膜能够高效地固定中性红,展现出良好的氧化还原活性。经该水凝胶修饰的生物阳极具有更负的阳极电势,且维持时间更长,电池的输出性能有更大幅度的提升(1700 mA m-2,1150 mW m-2)。另外,复合膜修饰的玻碳电极在未经电化学驯化的大肠杆菌溶液中也表现出良好的电化学活性,表明该复合膜能富集并促进了大肠杆菌的代谢速率,展现出一定的生物传感应用前景。


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