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微生物燃料电池阳极胞外电子传递促进机制研究

岳羡君  
【摘要】:产电功率低制约了微生物燃料电池(MFC)的放大应用。提高阳极性能成为解决问题的方法之一,其中产电机制的研究成为制约阳极性能的关键,特别是细胞产电生物膜到电极的电子传导过程,本文中通过在电极表面改性一层纳米铁氧化物,探寻金属氧化物修饰电极促进阳极电极电子传递的机制,同时探讨阳极材料本身具有的电容特性对阳极电子传递过程的影响。 结果显示,铁氧化物的加入能够大大促进阳极的产电性能,可获得比对照体系高4-6倍的生物电流,伴随着电池内阻的降低和开路电压的增加;CV扫描显示铁氧化物表层被微生物还原产生的Fe~(2+)与电池产电性能呈线性正相关,而Fe~(2+)的浓度与铁氧化物的类型、结晶度、微生物的铁还原能力直接相关,较高的比表面积和较低的结晶度以及较高的细菌铁还原能力能够加速这个过程,由此证明了铁氧化物-Fe~(3+)/铁氧化物-Fe~(2+)在体系中起到了关键的电子穿梭作用,铁氧化物代替电极成为细菌胞外有效的电子受体。通过电化学修饰的铁氧化物能够提高电极上微生物的电化学活性,生物数量大大增加,Fe~(2+)浓度增加,可获得高达1500mW·m~(-2)的功率密度(高于空白189mW·m~(-2)的8倍)和较低的电池内阻,由此验证了Fe~(2+)在体系的电子穿梭作用 通过电化学方式在电极表层修饰一层RuO2或PPY/AQS晶体,探寻电极材料电容性与产电功率之间的关系。结果显示,经过RuO2和PPY/AQS修饰的阳极电池获得较未修饰大5倍和16倍的产电功率,最大可达3000mW·m~(-2);CV结果显示微生物的电化学活性增强;EIS显示电池内阻随着修饰量的增大而减小;结果证明电极上修饰电容量的大小与产电功率呈线性正相关,即电容量越大产电功率约高,电子传递效率更好。电容材料表面具有的快速充放电特性改变了胞外电子直接以电极为电子受体的传递方式,而是优先通过电容材料的充电和放电过程,由此提高电子传递效率,成为一种新的阳极胞外电子传递方式。


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