微生物燃料电池生物阴极

微生物燃料电池(microbial fuel cells, MFCs)利用微生物处理废水的同时产电,是一种清洁可再生能源技术。近年来新兴起的生物阴极是指阴极室中的功能微生物附着在电极表面形成生物膜,电子由电极传递给微生物并发生相应的生物电化学反应;是微生物燃料电池研究的一个重要方向。本文根据厌氧、好氧操作体系的不同将生物阴极进行分类;归纳总结了微生物组成、电极和分隔材料的研究进展,探讨了生物阴极在去除污染物和生成高附加值产品中的实际应用,并提出了其将来发展的可能方向。     

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.     

微生物燃料电池阴极脱氮

微生物燃料电池(MFC)阴极电子受体的多样性可实现其阴极脱氮,从而将产生的电能合理利用,因此阴极脱氮成为了MFC的一个研究方向,同时也为实际废水中氮素的去除提供了新的可能。然而在反应过程中有众多因素会导致NOx-N与其他电子受体竞争阳极电子的现象,影响阴极反硝化过程对于电子的利用率,从而造成脱氮效率低等现实问题。目前已有许多研究通过优化MFC自身结构弥补产电的缺陷,及将与其他工艺系统耦合实现同步硝化反硝化等方法,取长补短以增加脱氮效率,降低对碳源的需求,以此解决微生物燃料电池阴极脱氮出现的问题。本文从MFC不同的脱氮历程、MFC工艺条件(pH、C/N、DO)、极室分隔材料等影响MFC阴极脱氮的因素及影响其阴极反硝化微生物群落构成等方面,进行了综述并预测未来研究方向。     

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.     

生物燃料电池的研究进展

简要介绍生物燃料电池的工作原理、分类,归纳近年来国内外研究现状.讨论了电子传递媒介体在生物燃料电池中的作用以及如何提高电池性能的对策.最后,探讨了影响生物燃料电池研究进展的瓶颈,并展望其应用前景.     

微生物燃料电池非生物阴极催化剂的研究进展

在微生物燃料电池（MFC）中,以氧为电子受体具有很多优点,但氧阴极还原的反应动力学慢,会造成阴极电势的损失。 因此,提高阴极对氧还原的电催化活性和降低催化剂的价格是MFC非生物阴极催化剂的研究重点之一。 本文综述了近年来MFC中非生物阴极氧还原催化剂的研究进展。 重点讨论了贵金属Pt、过渡金属大环化合物以及金属氧化物催化剂对氧还原的电催化活性。 其中,非贵金属氧化物及过渡金属大环化合物催化剂具有良好的性能,而且价格低廉,有望成为MFC非生物阴极Pt基催化剂的替代催化剂。     

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。     

不锈钢网阴极微生物燃料电池的产电性能研究

构建了一个以曝气池污泥为阳极接种微生物、碳毡为阳极、无任何修饰的不锈钢网为阴极的双室微生物燃料电池. 通过输出电压、功率密度以及电化学阻抗等考察了阴极面积对电池产电性能的影响,并对电池的长期运行稳定性进行评价. 研究结果表明,不锈钢网作为微生物燃料电池的阴极性能稳定. 当不锈钢网面积为2 × 2 cm²时,最大输出电压达到0.411 V,功率密度为0.303 W•m^-2,内阻841 Ω,极化内阻80 Ω. 增大阴极面积至2 × 4 cm²,最大输出电压能达到0.499 V,内阻减小至793 Ω. 不锈钢网价格便宜,具有长期运行稳定性,适宜做MFCs的阴极.     

微生物燃料电池电极材料研究进展

微生物燃料电池以微生物为催化剂将化学能直接转化成电能,可用于废水处理并产生电能,是一种极具应用前景的生物电化学技术. 本文综述了近年来微生物燃料电池电极材料的制备、功能修饰及表面构建等的研究进展,着重介绍了炭基纳米材料的微结构与成分对微生物燃料电池性能的影响,并分析了微生物燃料电池电极材料现存的主要问题,以期不久的将来微生物燃料电池能付之实用.     

炭载肌红蛋白作生物燃料电池阴极催化剂

生物燃料电池;肌红蛋白;阴极催化剂;活性炭;氧还原     

微生物燃料电池

微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cells,MFCs) 是一种利用微生物作为催化剂,将燃料中的化学能直接转化为电能的装置。本文首先简要介绍了MFCs 的发展简史和基本原理,针对MFCs 产电性能低的现状,分别从产电微生物、电池结构、质子交换膜(PEM)、电极以及电解液等方面着重综述了近几年有关提高MFCs 产电性能的研究进展。最后介绍了关于MFCs 的另一些有趣的研究方向：植物MFCs,生物阴极MFCs,以及污水脱氮和有毒废水处理。     

金属离子在微生物燃料电池中的行为

在废水处理方面,微生物燃料电池具有在净化废水的同时回收能源或有价值化学品等突出优点,已经成为人们研究的热点。在微生物燃料电池中,金属离子能直接或者间接参与阳极和阴极过程,其对溶液的电导率、反应器的内阻和功率密度、产电微生物的活性等都有重要影响。本文综述了金属离子参与微生物燃料电池的机制及其影响因素,并且介绍了微生物燃料电池在去除废水或者固体废弃物中重金属离子方面的优势和发展前景。     

微生物燃料电池的产电机制

微生物燃料电池(MFC)利用微生物作催化剂直接从可降解有机物中提取电能,它具有废弃物处置与产电双重功效,是未来理想的产电方式和有机废弃物资源化处置工艺.当前MFC技术的主要限制因素是电池输出功率低.MFC产电机制的研究是深入掌握电池工作状态、改善电池构造、优化电极材料从而提高输出功率的理论基础.本文将MFC产电机制分为5个步骤,即底物生物氧化、阳极还原、外电路电子传输、质子迁移、阴极反应,对其进行了详细评述,并提出了产电机制的发展趋势与今后的研究思路.     

Bioelectricity Production from Soil Using Microbial Fuel Cells

Microbial fuel cells (MFCs) are a device using microorganisms as biocatalysts for transforming chemical energy into bioelectricity. As soil is an environment with the highest number of microorganisms and diversity, we hypothesized that it should have the potential for energy generation. The soil used for the study was Mollic Gleysol collected from the surface layer (0–20 cm). Four combinations of soil MFC differing from each other in humidity (full water holding capacity [WHC] and flooding) and the carbon source (glucose and straw) were constructed. Voltage (mV) and current intensity (μA) produced by the MFCs were recorded every day or at 2-day intervals. The fastest and the most effective MFCs in voltage generation (372.2?±?5 mV) were those constructed on the basis of glucose (MFC-G). The efficiency of straw MFCs (MFC-S) was noticeable after 2 weeks (319.3?±?4 mV). Maximal power density (P _max?=?32 mW m^?2) was achieved by the MFC-G at current density (CD) of 100 mA m^?2. Much lower values of P _max (10.6–10.8 mW m^?2) were noted in the MFC-S at CD of ca. 60–80 mA m^?2. Consequently, soil has potential for production of renewable energy.     

Meta-analysis of Microbial Fuel Cells Using Waste Substrates

Microbial fuel cell experimentation using waste streams is an increasingly popular field of study. One obstacle to comparing studies has been the lack of consistent conventions for reporting results such that meta-analysis can be used for large groups of experiments. Here, 134 unique microbial fuel cell experiments using waste substrates were compiled for analysis. Findings include that coulombic efficiency correlates positively with volumetric power density (p < 0.001), negatively with working volume (p < 0.05), and positively with percentage removal of chemical oxygen demand (p < 0.005). Power density in mW/m² correlates positively with chemical oxygen demand loading (p < 0.005), and positively with maximum open-circuit voltage (p < 0.05). Finally, single-chamber versus double-chamber reactor configurations differ significantly in maximum open-circuit voltage (p < 0.005). Multiple linear regression to predict either power density or maximum open-circuit voltage produced no significant models due to the amount of multicollinearity between predictor variables. Results indicate that statistically relevant conclusions can be drawn from large microbial fuel cell datasets. Recommendations for future consistency in reporting results following a MIAMFCE convention (Minimum Information About a Microbial Fuel Cell Experiment) are included.     

Applications of Nanomaterials in Microbial Fuel Cells: A Review

Microbial fuel cells (MFCs) are an environmentally friendly technology and a source of renewable energy. It is used to generate electrical energy from organic waste using bacteria, which is an effective technology in wastewater treatment. The anode and the cathode electrodes and proton exchange membranes (PEM) are important components affecting the performance and operation of MFC. Conventional materials used in the manufacture of electrodes and membranes are insufficient to improve the efficiency of MFC. The use of nanomaterials in the manufacture of the anode had a prominent effect in improving the performance in terms of increasing the surface area, increasing the transfer of electrons from the anode to the cathode, biocompatibility, and biofilm formation and improving the oxidation reactions of organic waste using bacteria. The use of nanomaterials in the manufacture of the cathode also showed the improvement of cathode reactions or oxygen reduction reactions (ORR). The PEM has a prominent role in separating the anode and the cathode in the MFC, transferring protons from the anode chamber to the cathode chamber while preventing the transfer of oxygen. Nanomaterials have been used in the manufacture of membrane components, which led to improving the chemical and physical properties of the membranes and increasing the transfer rates of protons, thus improving the performance and efficiency of MFC in generating electrical energy and improving wastewater treatment.