从电化学和微生物学角度分析微生物燃料电池处理硫污染物的机理

微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)是一种有前景的去除废水中硫污染物的技术。本文在生物膜电极反应机理的基础上,讨论电极反应和微生物在MFCs处理硫污染物过程中的作用,论证了其处理机制和影响因素,总结了反应器构型、分离器类型、电极材料和催化剂,以及硫的回收和电极再生。此外,通过核算对比MFCs和典型的厌氧生物技术处理含硫废水的成本和收益对MFCs去除废水中硫污染物的可行性进行了评估。     

生物阴极微生物燃料电池

传统微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs)主要由生物阳极与非生物阴极组成,属于半生物燃料电池,存在化学药剂再生困难、需要铂等贵金属催化及成本高等缺陷。生物阴极则利用微生物参与阴极反应克服了这些缺陷。微生物参与MFCs阴极反应,最初在海底沉积物MFCs中被发现。为了提高空气-生物阴极的产电效率,人们进行了以铁、锰等过渡金属氧化物修饰电极材料的研究。在厌/缺氧环境中,生物阴极可将硝酸盐和硫酸盐等作为最终电子受体。对生物阴极研究的深入为MFCs工业化应用开辟了道路,此外,本文在文献综述的基础上提出了铁锰联合修饰生物阴极材料的可能性。     

铁基纳米粒子改性碳布复合材料的制备及其在微生物燃料电池阳极中的应用

微生物燃料电池(Microbial fuel cells, MFCs)可将废水中的有机物直接转化为电能,提供了可持续电能的潜在解决方案。然而,MFCs在实际应用中存在细菌负载能力低、阳极与电化学活性生物膜之间的胞外电子传递(Extracellular electron transfer, EET)效率相对较差等不足。本研究采用绿色高效的微波辅助方法和高温退火工艺,成功制备了铁基纳米粒子改性碳布(Fe₃C/Fe@CC),此复合材料具有较好的生物相容性和电催化活性,可作为MFCs的阳极材料。实验结果表明,基于Fe₃C/Fe@CC复合材料的MFCs的功率密度高达2209 mW/m²,相比基于纯碳布阳极的MFCs(1933 mW/m²)提高了17%,这主要是因为Fe₃C/Fe@CC能够有效提高微生物与电极之间的EET效率,增大电化学活性表面积,同时促进产电菌地杆菌(Geobacter)的富集。本研究采用微波辅助和高温退火方法快速制备了高导电复合阳极,为MFCs阳极的大规模制备提供了一种...     

纳米Fe3O4含量对微生物燃料电池性能的影响

以不锈钢网为集流体,采用辊压工艺制备了Fe3O4质量分数分别为0%、2.5%、5.0%和7.5%的不锈钢网、活性炭粉和Fe3O4构成的复合阳极AcM、AcFeM1、AcFeM2和AcFeM3,研究了Fe3O4含量对单室无膜空气阴极微生物燃料电池(MFC)产电性能的影响,并通过塔菲尔曲线和阳极充电-放电测试研究了不同Fe3O4含量的阳极的电化学行为。结果表明,阳极Fe3O4质量分数由0%增加至2.5%、5.0%时,MFCs的最大输出功率和净电容电荷由AcM阳极的664 mW/m2和293.9 C分别上升至AcFeM1、AcFeM2电极的731 mW/m2和300.4 C、809 mW/m2和388.5 C,当Fe3O4含量继续增加至7.5%时,MFCs的产电效率和净电容电荷均减小,Fe3O4质量分数在5.0%时,MFCs性能最佳;电化学测试进一步说明Fe3O4质量分数在5.0%时,MFCs阳极的动力学活性最好。     

氮掺杂石墨烯的一步法低温合成及用作微生物燃料电池阴极催化剂的产电特性

利用爆炸法低温合成了氮掺杂石墨烯(NG),并通过高分辨透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、Raman光谱仪以及X射线衍射仪对其进行了表征.电化学性能检测结果表明,所合成的NG在中性磷酸盐电解液中具有优异的氧还原催化活性,完全能够与贵重金属铂催化剂(Pt/C)相媲美,氧还原催化稳定性甚至优于Pt/C.当NG用作微生物燃料电池(MFCs)的阴极氧还原催化剂时,在外阻为1000Ω情况下,MFCs的最大功率密度为1345 mW/m2,产电稳定性优于以Pt/C为阴极催化剂的MFCs,可以成为Pt催化剂的理想替代品.     

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。     

用于生物电化学系统的石墨烯电极新进展

可持续社会的发展需要成本低, 并从废物或废水中提取能源或将能源转化为产品的环境友好技术. 近年兴起的生物电化学系统(BESs)利用微生物催化不同电化学反应, 是将废物或废水中能量转化为电能等多种产品的发展前景广阔的新技术. 当有关反应的吉布斯自由能小于零, 系统输出电能, 此时的BESs即为微生物燃料电池(MFCs); 相反, 若反应的吉布斯自由能为正值, 此时的BESs被称为微生物电解电池(MECs). 随着研究工作的不断深入和拓展, BESs的电极性能已成为制约其应用的瓶颈. 石墨烯以其独特的结构和优异的材料性能在BESs领域, 特别是MFCs中得以应用. 本文参考了最新的文献资料, 综述了石墨烯应用于BESs的发展现状, 包括应用于MFCs的石墨烯电极、掺杂石墨烯电极、担载石墨烯电极, 对其在MECs中可能的应用, 以及未来发展趋势予以展望.     

化学修饰炭黑在微生物燃料电池中的生物产电行为

研究发现微生物燃料电池从启动到稳定运行的过程中往往存在一种现象,就是在高电流密度下,微生物燃料电池的输出电压会出现逆转,从而限制了微生物燃料电池的规模化应用,以及它在污废水处理、脱盐等方面的功能.
　　前期研究发现,微生物燃料电池的性能逆转现象与阳极材料的电容性能有关.电极材料的电容越大,越有利于微生物燃料电池的产电性能稳定,换言之,阳极材料电容不足导致产电性能逆转.但是超级电容活性炭的制作工艺繁琐,成本高,且导电性弱,不能满足微生物燃料电池的应用需求.炭黑的导电能力强、化学稳定性高、成本低,但作为微生物燃料电池的阳极则产生产电性能逆转现象.
　　化学修饰(如酸、碱活化或者添加具有赝电容性质的金属氧化物等)可以提高材料的电容性能.低温条件(80 oC)下,对低电容材料—炭黑进行HNO3和KOH的化学活化处理,并在此基础上,进一步用5%Fe3O4修饰,采用辊压工艺,以质量分数为60%的聚四氟乙烯乳液为粘结剂,制作微生物燃料电池的阳极,与空气阴极构建单室微生物燃料电池系统.采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、比表面积测试、材料表面pH和X射线能量分析光谱(EDX)等手段表征炭黑活化前后的物理、化学性质;接触角润湿性测试表征活化前后电极表面的亲疏水性.电化学循环伏安法测试活化前后,电极的电子存储能力.
　　与蒸馏水的pH相比较,材料表面pH分析表明炭黑材料经化学活化处理后,其表面pH无明显变化; FTIR和EDX测试表明化学活化处理使得炭黑表面引入含O(N)官能团;吸附-脱附曲线分析表明化学活化后,炭黑的比表面积减小,微孔与介孔的体积比增加;接触角测试表明炭黑阳极活化处理后,电极表面亲水性增加;循环伏安测试证实,化学活化后的炭黑阳极电容得到0.1–0.8 F/cm2的增长.结合燃料电池的产电性能测试,发现只有当炭黑阳极电容不小于1.1 F/cm2时,微生物燃料电池的产电逆转现象才会消失.炭黑阳极的化学活化方法为微生物燃料电池的性能稳定提供了一种简便、低成本的方法.     

化学修饰炭黑在微生物燃料电池中的生物产电行为（英文）

研究发现微生物燃料电池从启动到稳定运行的过程中往往存在一种现象,就是在高电流密度下,微生物燃料电池的输出电压会出现逆转,从而限制了微生物燃料电池的规模化应用,以及它在污废水处理、脱盐等方面的功能.前期研究发现,微生物燃料电池的性能逆转现象与阳极材料的电容性能有关.电极材料的电容越大,越有利于微生物燃料电池的产电性能稳定,换言之,阳极材料电容不足导致产电性能逆转.但是超级电容活性炭的制作工艺繁琐,成本高,且导电性弱,不能满足微生物燃料电池的应用需求.炭黑的导电能力强、化学稳定性高、成本低,但作为微生物燃料电池的阳极则产生产电性能逆转现象.化学修饰(如酸、碱活化或者添加具有赝电容性质的金属氧化物等)可以提高材料的电容性能.低温条件(80℃)下,对低电容材料—炭黑进行HNO3和KOH的化学活化处理,并在此基础上,进一步用5%Fe3O4修饰,采用辊压工艺,以质量分数为60%的聚四氟乙烯乳液为粘结剂,制作微生物燃料电池的阳极,与空气阴极构建单室微生物燃料电池系统.采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、比表面积测试、材料表面pH和X射线能量分析光谱(EDX)等手段表征炭黑活化前后的物理、化学性质;接触角润湿性测试表征活化前后电极表面的亲疏水性.电化学循环伏安法测试活化前后,电极的电子存储能力.与蒸馏水的p H相比较,材料表面pH分析表明炭黑材料经化学活化处理后,其表面pH无明显变化;FTIR和EDX测试表明化学活化处理使得炭黑表面引入含O(N)官能团;吸附-脱附曲线分析表明化学活化后,炭黑的比表面积减小,微孔与介孔的体积比增加;接触角测试表明炭黑阳极活化处理后,电极表面亲水性增加;循环伏安测试证实,化学活化后的炭黑阳极电容得到0.1–0.8F/cm2的增长.结合燃料电池的产电性能测试,发现只有当炭黑阳极电容不小于1.1 F/cm2时,微生物燃料电池的产电逆转现象才会消失.炭黑阳极的化学活化方法为微生物燃料电池的性能稳定提供了一种简便、低成本的方法.     

硅材料在微型燃料电池中的应用*

微型燃料电池被认为可作为便携式电子设备的下一代电源而越来越受到关注。传统的石墨、金属等材料用于微型燃料电池时产生了不少问题,如石墨材料微加工性能差,金属易腐蚀、密度较大等不利于应用于便携式设备。硅材料因为其低的气体透过率、高的导热系数和适于微加工等特性在微型质子交换膜燃料电池中得到了越来越多地应用。本文对硅材料在微型燃料电池的气体扩散层、质子交换膜构造中的应用以及硅材料作为基底制作微型燃料电池技术的进展进行了综述,并对硅材料在微型燃料电池领域应用的技术特点及前景做了分析与讨论。     

A review on the role of proton exchange membrane on the performance of microbial fuel cell

Proton exchange membranes (PEMs) are the most frequently used separators in microbial fuel cells (MFCs). The role of proton transportation in MFC performance makes PEMs one of the most important components in the cell. The effect of PEMs in MFC performance is commonly determined according to generated power density and coulombic efficiency. Nafion is the commonly used membrane in MFCs, but there are still a number of problems associated with the use of Nafion including oxygen transfer rate, cation transport and accumulation rather than protons, membrane fouling and substrate loss. Moreover, additional problems can also be attributed to the effect of PEMs including internal resistance and pH change in MFCs. Recent developments in PEM performance are attributed to two categories including utilization of other types of membranes and improvements in Nafion by pre‐treatment methods. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

微生物燃料电池在传感分析中的应用及研究进展

微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是一种利用微生物将化学能直接转化为电能的装置.近年来,除改善微生物燃料电池的输出性能外,研究者也不断开发其在传感分析中的应用.基于微生物燃料电池的传感分析装置无需外加电源,具有操作简单、可连续检测等优点,是一种极具应用前景的传感分析技术.本文依据这些传感分析装置的用途进行分类,主要综述了微生物燃料电池在检测分析生化需氧量(BOD)、挥发性脂肪酸、毒性物质、微生物活性和数量以及其它方面的研究,并对其发展趋势和应用前景进行了展望.     

基于杂多酸的固体高质子导体*

杂多酸固体高质子导体在燃料电池、传感器和电显色装置等方面具有潜在的应用前景。本文概述了杂多酸的质子导电性,归纳了其质子导电性的一些规律,以表格形式列举了各类杂多酸的电导率。将不同质量分数的杂多酸固载在各类固体基质上,可以对杂多酸质子导电材料改性以便于工业中实际应用。这些杂化材料兼有杂多酸的高质子导电性以及基质的稳定性与机械延展性。本文综述了近几年来新型杂多酸,杂多酸-无机基质复合材料,杂多酸-有机基质复合材料,杂多酸-多元基复合材料的质子电导率、稳定性、结构形态等等方面的研究进展,详细介绍了杂多酸在质子交换膜燃料电池中的应用,并对杂多酸固体高质子导体的应用前景进行了展望。     

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。     

Improving Performance of MFC by Design Alteration and Adding Cathodic Electrolytes

Performance of two microbial fuel cells (MFCs) was investigated under batch and continuous mode of operation using different cathodic electrolyte. The wastewater was supplied from the bottom port provided to the anode chamber in both the MFCs and the effluent left the anode chamber from the top port in MFC-1, whereas in MFC-2, the effluent exit was provided close to membrane. Stainless steel (SS) mesh anode was used in both the MFCs with surface area of 167 and 100 cm(2) in MFC-1 and MFC-2, respectively. Under batch mode and continuous mode of operation, these MFCs gave chemical oxygen demand removal efficiency more than 85% and about 68%, respectively. Under batch mode of operation, maximum power density of 39.95 and 56.87 mW/m(2) and maximum current density of 180.83 and 295 mA/m(2) were obtained in MFC-1 and MFC-2, respectively. Under continuous mode of operation, a reduction in power and current density was observed. Even with less surface area of the anode, MFC-2 produced more current (1.77 mA) than MFC-1 (1.40 mA). Among the cathodic electrolyte tested, these can be listed in decreasing order of power density as aerated KMnO(4) solution > KMnO(4) solution without aeration > aerated tap water > aerated tap water with NaCl.     

Fabric‐based alkaline direct formate microfluidic fuel cells

Fabric‐based microfluidic fuel cells (MFCs) serve as a novel, cost‐efficient alternative to traditional FCs and batteries, since fluids naturally travel across fabric via capillary action, eliminating the need for an external pump and lowering production and operation costs. Building on previous research with Y‐shaped paper‐based MFCs, fabric‐based MFCs mitigate fragility and durability issues caused by long periods of fuel immersion. In this study, we describe a microfluidic fabric‐based direct formate fuel cell, with 5 M potassium formate and 30% hydrogen peroxide as the anode fuel and cathode oxidant, respectively. Using a two‐strip, stacked design, the optimized parameters include the type of encasement, the barrier, and the fabric type. Surface contact of the fabric and laminate sheet expedited flow and respective chemical reactions. The maximum current (22.83 mA/cm²) and power (4.40 mW/cm²) densities achieved with a 65% cotton/35% polyester blend material are a respective 8.7% and 32% higher than previous studies with Y‐shaped paper‐based MFCs. In series configuration, the MFCs generate sufficient energy to power a handheld calculator, a thermometer, and a spectrum of light‐emitting diodes.     

Enhanced power production of microbial fuel cells by reducing the oxygen and nitrogen functional groups of carbon cloth anode

The physicochemical properties of anode material are important for the electron transfer of anode bacteria and electricity generation of microbial fuel cells (MFCs). In this work, carbon cloth anode was pretreated with isopropanol, hydrogen peroxide (H₂O₂) and sodium hypochlorite (NaOCl) in order to reduce the anode functional groups. The influence of functional groups on the electrochemical properties of carbon cloth anode and power generation of MFCs was investigated. The anode pretreatments removed the surface sizing layer of carbon cloth and substantially reduced the contents of C‐O and pyridinic/pyrrolic N groups on the anode. Electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry analyses of the biofilm‐matured anodes revealed an enhanced electrochemical electron transfer property because of the anode pretreatments. As compared with the untreated control (612 ± 6 mW m^?2), the maximum power density of an acetate‐fed single‐chamber MFC was increased by 26% (773 ± 5 mW m^?2) with the isopropanol treated anode. Additional treatment with H₂O₂ and NaOCl further increased the maximum power output to 844 ± 5 mW m^?2 and 831 ± 4 mWm^?2. A nearly inverse liner relationship was observed between the contents of C‐O and pyridinic/pyrrolic N groups on anodes and the anodic exchange current density and the power output of MFCs, indicating an adverse effect of these functional groups on the electricity production of anodes. Results from this study will further our understanding on the microbial interaction with carbon‐based electrodes and provide an important guidance for the modification of anode materials for MFCs in future studies. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

Effects of different Pt-M (M = Fe,Co, Ni) alloy as cathodic catalyst on the performance of two-chambered microbial fuel cells

For the purpose of reducing the cost and improving the performance of cathodes in microbial fuel cells (MFCs), we prepared Pt/C and Pt-M/C (M = Ni, Co, Fe) electrodes, and characterized them by SEM, XRD and CV. The modified electrodes were used as the cathodes in double-chambered MFCs fed with synthetic medium and molasses sewage respectively. We have found that Pt-M/C catalysts had a better catalytic activity for oxygen reduction than Pt/C in the following order: Pt-Fe/C > Pt-Co/C > Pt-Ni/C > Pt/C. The maximum power density of the MFCs with Pt-M/C cathode was improved by 18–31% compared with the MFC with Pt/C cathode because of the decrease of activation loss in the cathode. This study shows that Pt-M/C catalysts can improve power generation of MFCs without affecting the COD removal and it is proposed that Pt-Fe functions best among the three Pt-M alloys as an efficient and cost-effective catalyst of MFCs.     

石墨烯基杂化材料在微生物燃料电池电极中的应用

微生物燃料电池（MFC）是利用生物催化剂将污水有机物中的化学能直接转化为电能的技术,因其功率密度和能量转化效率低,电极制作成本高,限制了其大规模实际应用。因此如何提高电极的催化性能并降低电极制作成本成为MFC的研究重点方向。由于石墨烯基杂化材料具有良好的导电性和催化特性,因此石墨烯基杂化材料成为在MFC电极应用中的热点之一。本文综述了近年来MFC石墨烯基杂化电极材料的最新研究进展,重点讨论了改性石墨烯电极、金属及非金属/石墨烯杂化电极、金属氧化物/石墨烯杂化电极、聚合物/石墨烯杂化电极和石墨烯凝胶电极的设计思路和制备方法及其催化性能,着重分析了石墨烯基阳极和阴极杂化材料对MFC产电性能的影响。最后对石墨烯基杂化材料在MFC应用中存在的问题及研究前景进行了总结和展望。