生物阴极微生物燃料电池不同阴极材料产电特性

以葡萄糖(COD初始浓度为2000 mg/L, COD为化学需氧量)为阳极燃料底物, 考察了碳纤维刷和柱状活性碳颗粒作为生物阴极微生物燃料电池(MFC)阴极材料的产电性能. 研究结果表明, 碳纤维刷MFC的启动时间比碳颗粒MFC的长, 达到稳定状态后的恒负载(300 Ω)电压(0.324 V)比碳颗粒阴极MFC的(0.581 V)低. 极化分析结果表明, 碳纤维刷MFC和碳颗粒MFC的最大功率密度分别为24.7 W/m3(117.2 A/m3)和50.3 W/m3(167.2 A/m3). 电化学交流阻抗谱(EIS)测定结果表明, 由于电极材料对微生物生长和分布状态存在不同的影响, 使得碳纤维刷阴极MFC的极化内阻大于碳颗粒阴极MFC的极化内阻.     

空气阴极生物燃料电池电化学性能

为提高生物燃料电池(MFC)的输出功率, 降低内阻和有机物处理成本, 实验以空气电极为阴极, 泡沫镍(铁)为阳极,葡萄糖模拟废水为基质构建了直接空气阴极单室生物燃料电池, 考察了电池的电化学性能. 结果表明, MFC的开路电压为0.62 V, 内阻为33.8 Ω, 最大输出功率为700 mW·m-2 (4146 mW·m-3污水), 电子回收率20%. 放电曲线、循环伏安测试表明, MFC首次放电比容量和比能量分别为263 mAh·g-1 COD(化学需氧量)和77.3 mWh·g-1 COD, MFC充放电性能及稳定性均较好. 电化学交流阻抗谱(EIS)分析表明, 随放电时间的延长, 电池阻抗增大, 这是导致电池输出电压逐渐降低的原因之一. MFC运行8 h, COD的去除率为56.5%, 且COD的降解符合表观一级反应动力学.     

阳极改性对微生物燃料电池处理秸秆水解物性能影响

以玉米秸秆稀酸水解液为阳极底物,用污水处理厂活性污泥为产电微生物菌源构建双室微生物燃料电池(MFC),采用三种不同方法改性阳极碳毡,并对其MFC产电性能进行研究。结果表明,以未改性碳毡(CC)、HNO_3酸解CC(HNO_3/CC)、壳聚糖改性CC(chitosan/CC)、PDADMAC/α-Fe_2O_3层层自组装改性碳毡(PDADMAC/α-Fe_2O_3/CC)的MFC的最大产电量分别为248、315、452和522 mV,最大功率密度分别为54.6、92.7、203.8和248.1 mW/m~2,COD的去除率分别为82.21%、81.46%、82.53%和86.44%。循环伏安曲线显示,PDADMAC/α-Fe_2O_3层层自组装改性的阳极碳毡具有较高的氧化还原电位。电化学阻抗谱图表明,PDADMAC/α-Fe_2O_3层层自组装改性碳毡的极化内阻最小,为7Ω。几种改性材料为阳极的MFC性能依次为PDADMAC/α-Fe_2O_3/CC壳聚糖/CCHNO_3/CC空白CC。     

微生物燃料电池多孔阳极的制备及阳极改性研究

以石墨粉为阳极基体,使用相转换法,制备了一种孔隙梯度分布的多孔阳极材料。将这种阳极组装为双室型微生物燃料电池进行电化学性能测试。另外,在阳极中添加了10%石墨质量比的聚苯胺,对阳极进行改性。相转换的改性方式能够使聚苯胺与阳极颗粒均匀混合,保证了改性的效率。电化学测试结果表明,单纯石墨阳极的功率密度为26.3mW·m~(-2)。而添加了聚苯胺后,功率密度提高到了80.2mW·m~(-2)。阻抗谱测试也显示,添加聚苯胺后的阳极,其欧姆阻抗与界面阻抗均有一定程度的降低。     

葡萄糖乙酸钠不同基质微生物燃料电池电化学性能对比研究

本文通过接种生活污水处理厂的好氧污泥和厌氧污泥,撘建两个双室微生物燃料电池(MFC,Microbial fuel cell),分别以葡萄糖、乙酸钠作为基质,在0.0335 mol•L^-1基质浓度下研究不同基质微生物燃料电池的产电性能. 研究表明：葡萄糖体系的阳极半电池阻抗为222 Ω,乙酸钠体系为213.67 Ω,说明两种不同有机基质对电池内阻无明显影响. 葡萄糖、乙酸钠体系的交换电流密度i⁰分别为3.463 mA•m^-2、 5.987mA•m^-2;COD去除率分别为50.6%、55.8%;库仑效率分别为42.1%、46.2%. 葡萄糖为基质时最大输出功率密度为394.2 mW•m^-2,相应的最大电流密度为1800mA•m^-2;乙酸钠为基质时最大输出功率密度为311.9mW•m^-2,相应的最大电流密度为1527.5mA•m^-2. 葡萄糖代谢过程复杂并不单一,且代谢不彻底,乙酸钠分子简单更容易代谢,因此乙酸钠的库伦效率及COD去除率均高于葡萄糖,由以上数据可以得出葡萄糖为基质的燃料电池产电性能较好.     

侧链型磺化聚芳醚阳离子交换膜在微生物燃料电池中的应用

采用芳香亲核取代反应及溶液铸膜法,制备了一系列具有不同离子交换容量(IEC)的侧链型磺化聚芳醚砜(s SPFAE)阳离子交换膜,并作为分离膜应用于微生物燃料电池(MFC).研究了s SPFAE膜在双室MFC中产电性能并与商用阳离子交换膜进行了对比.s SPFAE膜的IEC为0.97~1.56 mmol/g,厚度约为80μm,在30℃时吸水率为20.9%~41.7%,电导率达到27.3~60.5 m S/cm,高于商用膜(22 m S/cm,420μm).对采用s SPFAE膜的MFC,根据峰功率密度法及极化曲线斜率法得到的MFC内阻约为29~64Ω,随着IEC的升高而降低,库伦效率达到47.7%~55%,其中s SPFAE-1.56膜的最大功率密度达到657.3 m W/m~2,且s SPFAE膜均表现出优于商用膜的产电性能.利用模拟等效电路对整个MFC系统进行EIS分析,结果表明阳极扩散内阻占这类MFC系统总内阻的87%~90%.结合循环伏安曲线、电化学阻抗谱测试及电极电势分析结果,表明分离膜对两极室间物质传递及阳极扩散阻抗有较大的影响.     

共基质改善MFC处理链霉素废水及产电性能的研究

以K_3[Fe(CN)_6]和NaCl混合溶液为阴极液,以驯化的人工湖泊底泥为微生物菌种,以链霉素废水为阳极液,构建微生物燃料电池实验系统,研究添加共基质前后微生物燃料电池的废水处理效果与同步发电性能。结果表明,以链霉素废水为阳极液的微生物燃料电池的产电能力及废水处理效果均较差,并且随着链霉素浓度的增大而进一步恶化;但将葡萄糖作为共基质添加至阳极链霉素废水后,微生物燃料电池的产电能力和废水处理效果均显著提高。链霉素浓度为50 mg/L时,未添加共基质的微生物燃料电池处理链霉素废水的COD去除率为52%,产电电流密度为25 m A/m~2,输出电压为4.72 m V;添加共基质后,COD去除率为92%,稳态产电电流密度为300 m A/m~2,稳态输出电压为54 m V。     

生物电化学系统降解多环芳烃萘及微生物群落研究

采用单室空气阴极微生物燃料电池(MFC)反应器构型, 以不同浓度萘为基底物质, 考察MFC的产电性能、 萘降解率、 化学需氧量(COD)和总有机碳含量(TOC)降解率及MFC阴阳极微生物活性和多样性. 结果表明, 循环伏安曲线受不同浓度萘的影响变化较为明显, 随着萘浓度的增大, 最大功率密度呈下降趋势, 且萘对MFC的阴极电极电势影响较大; 当萘的浓度为15 mg/L时, MFC最大功率密度可达(645.841±28.08) mW/m ²; 对萘的降解率高达100%, 且MFC对COD和TOC的降解率随着萘浓度的提高而增大, 但是增大的速率逐渐减小. 对MFC阳极微生物膜进行高通量测序发现, Geobacter是优势菌属, 相对丰度达81%, 阴极主要以Aquamicrobium为主.     

阳极底物对微生物燃料电池处理秸秆水解物性能的影响

以双室微生物燃料电池为反应器,铁氰化钾为阴极液,研究污水处理厂活性污泥菌液和玉米秸秆水解液对MFC的产电性能的影响。结果表明,随着阳极中活性污泥菌液体积（1.5、3.0、4.5、6.0 mL）增加,MFC的产电量逐渐增加,当活性污泥的体积增加至7.5 mL时,产电量开始呈下降趋势;玉米秸秆水解液在底物中的浓度为0、10、15、20、30、40 g/L时,电池的稳定电压分别为54、157、248、208、170、146 mV。当阳极活性污泥菌液体积为6 mL、玉米秸秆水解液浓度为15 g/L时,微生物燃料电池的产电性能最佳,此时MFC的功率密度为54.6 mW/m²,内阻为496 Ω。同时,循环伏安曲线（C-V）和交流阻抗曲线（EIS）测试可知,MFC的电极过程由电荷传递和扩散过程共同控制,反应过程受电子传递控制。     

电极面积对老龄垃圾渗滤液为底物的微生物燃料电池性能影响

构建生物阴极型双室微生物燃料电池,处理老龄垃圾渗滤液。研究了阳极与阴极面积比值对微生物燃料电池产电能力和对老龄垃圾渗滤液处理效果的影响。结果表明,阳极与阴极面积比为1:2、2:2、2:1的3组生物阴极型微生物燃料电池输出电压分别为408、452、396mV,最大电功率密度分别为145.73、237.65、136.50mW/m³,内阻分别为350、200、400Ω,COD的去除率分别为21.18%、20.20%、22.31%。3组微生物燃料电池运行30d后,垃圾渗滤液中氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮浓度均下降,其中,氨氮去除率分别为80.88%、73.61%和66.17%,其去除效果与产电性能相关。     

Macroporous composite capacitive bioanode applied in microbial fuel cells

Interfacial electron transfer between electroactive biofilm and the electrode was crucial step for microbial fuel cells(MFCs).A three-dimensional multilayer porous sponge coating with nitrogen-doped carbon nanotube/polyaniline/manganese dioxide(S/N-CNT/PANI/MnO2)electrode has been developed for MFC anode.Here,the S/N-CNT/PANI/MnO2 anode can function as a biocapacitor,able to store electrons generated from the degradation of organic substrate under the open circuit state and release the accumulated electrons upon requirement.Thus,the mismatching of the production and demand of the electricity can be overcome.Comparing with the sponge/nitrogen-doped carbon nanotube(S/N-CNT)bioanode,S/N-CNT/PANI/MnO2 capacitive bioanode displays a strong interaction with the microbial biofilm,advancing the electron transfer from exoelectrogens to the bioanode.The maximum power density of MFC with S/N-CNT/PANI/MnO2 capacitive bioanode is 1019.5 mW/m^2,which is 2.2 and5.8 times as much as that of S/N-CNT/MnO2 bioanode and S/N-CNT bioanode(470.7 mW/m^2 and176.6 mW/m^2),respectively.During the chronoamperometric experiment with 60 min of charging and 20 min of discharging,the S/N-CNT/PANI/MnO2 capacitive bioanode was able to store 10743.9 C/m^2,whereas the S/N-CNT anode was only able to store 3323.4 C/m^2.With a capacitive bioanode,it is possible to use the MFC simultaneously for production and storage of electricity.     

阴极催化剂对微生物燃料电池性能的影响

以不同载量的MnO_2/rGO和Pt/C修饰阴极电极构建了生物阴极型双室微生物燃料电池(MFC),考察了不同阴极催化剂修饰MFC对其产电性能以及老龄垃圾渗滤液主要污染物去除效果的影响。结果表明,以MnO_2/rGO修饰MFC阴极电极材料,能显著提高MFC产电性能及对老龄垃圾渗滤液中污染物去除效果;输出电压为372 mV,功率密度为194 mW/m~3(是未经催化剂修饰MFC的两倍),内阻为264Ω,化学需氧量(COD)和氨氮(NH_3-N)去除率分别为58.68%和76.64%。当MnO_2/rGO载量为.0 mg/cm~2时,MFC性能与负载Pt/C的MFC性能接近,但构建成本却明显降低。     

电化学法改性阳极对MFC性能的影响

采用不同质量分数的NH_4NO_3和(NH_4)_2S_2O_8溶液作为电解液,对双室微生物燃料电池的阳极炭布进行改性。以餐厨废水作为阳极底物,以K_3[Fe(CN)_6]和NaCl混合溶液为阴极液,考察不同电解液改性阳极条件下微生物燃料电池的产电性能及污水处理效果。结果表明,采用NH_4NO_3或(NH_4)_2S_2O_8改性炭布作为阳极的微生物燃料电池的发电性能和水处理效果均有改善。其中,采用质量分数为4%的(NH_4)_2S_2O_8溶液作为阳极改性电解液时,微生物燃料电池系统的产电性能达到最佳,其稳态电流密度约为60 m A/m~2,COD去除率约为42.5%。     

氯离子浓度对锌电积用铝基铅合金复合β-PbO2颗粒阳极行为的影响

在酸性硫酸锌体系中研究了不同氯离子含量对Al/Pb-0.3%Ag-0.06%Ca复合β-PbO₂颗粒阳极行为的影响, 并通过X射线衍射(XRD)以及扫描电子显微镜(SEM)等技术手段来表征阳极的特征。 结果表明, 随着氯离子含量的增加, 阳极的析氧过电位逐渐增大;阻抗呈逐渐增大的趋势;阳极表面膜β-PbO₂和α-PbO₂衍射峰强度整体呈现出减弱的趋势;阳极氧化膜上的枝状晶簇消失;腐蚀速率逐渐增大。 当氯离子含量为300 mg/L时, 阳极具有最大的表观电流密度i₀, 表现出了最好的电化学性能以及耐腐蚀性。     

百香果内膜生物炭作为微生物燃料电池阴极催化剂的产电性能研究

以天然来源的生物质百香果内膜为原料,采用热解炭化-KOH活化的方法制备出比表面积大、孔隙结构好的纳米片生物炭（BXG-AC）,并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等方法对所制备催化剂进行了元素组成和微观形貌表征,采用循环伏安扫描（CV）和线性伏安扫描（LSV）对材料的电化学性能进行分析。结果表明,百香果内膜生物炭经过KOH活化后,在0.1 mol/L的磷酸缓冲液（PBS）中表现出良好的电催化活性。将所制备的催化剂应用于单室MFCs阴极时,对应的MFC最大功率密度达1153.3 mW/m²,略低于Pt/C的1214.3 mW/m²,且此MFC运行60 d后,其性能未见明显降低。表明BXG-AC催化剂具有显著的催化活性和稳定性,为开发高效MFC阴极催化剂提供了新途径。     

Comparative Study of Electrochemical Performance and Microbial Flora in Microbial Fuel Cells by Using Three Kinds of Substrates

This work aimed to investigate the distinct electrochemical performance and microbial flora of microbial fuel cells(MFCs)in relation to different single hazardous fed fuels.Three replicate MFCs were inoculated with the same microbial consortium from a coking wastewater treatment plants wherein ammonium chloride(ammoniiim chlo-ride-fed MFC,N-MFC),phenol(phenol-fed MFC,P-MFC)and potassium sulphide(potassium sulphide-fed MFC,S-MFC)were the sole substrates and main components of real coking wastewater.With initial concentrations of am-monium chloride,phenol and potassium sulphide of 0.75,0.60 and 0.55 g/L,the removal efficiencies reached 95.6%,90.6%and 99.9%,respectively,whereas the peak output power densities totalled 697,324 and 1215 mW/m^2.Micro-bial community analysis showed that the respective addition of substrate substantially altered the microbial community structure of anode biofllm,resulting in changes in relative abundance and emergence of new strains and further affecting the electrochemical properties of MFCs.The chemical oxygen demand(COD)removal efficiency of real coking wastewater,in which,the inoculum was the combined biomass from the three MFCs,reached 82.3%.     

YSZ传导膜H_2S固体氧化物燃料电池

研究了Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)氧离子传导膜H2S固体氧化物燃料电池性能。掺杂NiS、电解质、Ag粉和淀粉制备了双金属复合MoS2阳极催化剂,掺杂电解质、Ag粉和淀粉制备了复合NiO阴极催化剂,用扫描电镜对YSZ和膜电极组装(MEA)进行了表征,比较了不同电极催化剂的性能和极化过程,考察了不同温度对电池性能的影响。结果表明,双金属复合MoS2/NiS阳极催化剂在H2S环境下比Pt和单金属MoS2催化剂稳定,复合NiO阴极催化剂比Pt性能好,在电极催化剂中加入Ag可显著提高电极的导电性;与Pt电极相比,复合MoS2阳极和复合NiO阴极催化剂的过电位较小,阳极的极化比阴极侧小;温度升高,电池的电流密度与功率密度增加,电化学性能变好。在750℃、800℃、850℃和900℃及101.13 kPa时,结构为H2S、(复合MoS2阳极催化剂)/YSZ氧离子传导膜/(复合NiO阴极催化剂)、空气的燃料电池最大功率密度分别为30 mW/cm2、70 mW/cm2、155 mW/cm2及295 mW/cm2、最大电流密度分别为120 mA/cm2、240 mA/cm2、560 mA/cm2和890 mA/cm2。