电化学活性微生物在微生物燃料电池阳极中的应用

微生物燃料电池是一种利用电化学活性微生物催化降解有机物的同时产生电能的新型产能装置。阳极电化学活性微生物特征及催化活性是影响微生物燃料电池产电效率的关键因素之一。本文对应用于阳极上的电化学活性微生物的富集、来源、菌种的生理生化特征及产电能力等进行了综述。     

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.     

酶生物燃料电池

综述了酶生物燃料电池的研究进展,特别是近年来在电池结构、性能以及电池的正极和负极研究等方面的成果。详细介绍了酶燃料电池中酶电极的制备方法和用于酶电极修饰材料的研究现状,对酶燃料电池研究中需要解决的问题和发展方向进行了探讨。     

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。     

三维多孔还原氧化石墨烯气凝胶的制备及其在锂离子电池中的应用

以天然鳞片石墨为原料,采用改良的Hummers方法,制备了高纯度的薄层或单层氧化石墨(GO);并以抗坏血酸为还原剂,通过自组装还原的方式成功制备了具有三维多孔独巨石结构的还原氧化石墨烯(rGO)气凝胶,其形貌和结构经FT-IR, SEM, TEM, XRD和XPS表征。并对其作为锂离子电池负极材料的电化学性能进行了测试。结果表明：rGO气凝胶独特的形貌和结构提高了其比容量和循环性能,在100 mA·g^-1电流密度下首周放电比容量可达1 700 mAh·g^-1,首周充电比容量达710 mAh·g^-1,经过100周循环后放电比容量仍可保持在450 mAh·g^-1,库伦效率保持在98%。     

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。     

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。     

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.     

PANI导电水凝胶的制备及其进展

导电水凝胶结合了水凝胶和导电高分子电性能的独特特性,并且具有特殊三维网络结构。其中聚苯胺(PANI)由于其独特的导电性能得到了广泛应用,因此PANI导电水凝胶是导电水凝胶中研究最为广泛的。本文综述了PANI导电水凝胶的制备方法及其发展,详述了PANI导电水凝胶的四种制备方法:直接填充、原位聚合、化学交联和物理交联。其中,利用直接填充和原位聚合方法制得PANI水凝胶是较传统的方法,获得的PANI水凝胶是由绝缘的水凝胶组分和导电的PNAI组分组合在一起,电化学性能不高。化学交联法的应用提高了导电水凝胶的电化学性能,物理交联法应用较少。最后,对导电水凝胶材料的应用以及未来发展方向进行了展望。     

导电水凝胶的制备

作为一种新型的功能材料,导电水凝胶已经引起广泛的关注。本文根据目前的研究现状,将导电水凝胶大致分为聚电解质导电水凝胶,酸掺杂导电水凝胶,无机物添加导电水凝胶以及导电高分子基导电水凝胶等几大类,并综述了它们的制备方法。另外,由于大分子体系的导电高分子和水凝胶都有着独特和重要的性能,这使得它们具有广阔的应用价值。所以,本文在综述导电水凝胶制备进展的同时着重综述了导电高分子基导电水凝胶的制备进展。     

Development of an Osmium Redox Polymer Mediated Bioanode and Examination of its Performance in Gluconobacter oxydans Based Microbial Fuel Cell

Gluconobacter oxydans (G. oxydans ) cells together with an osmium redox polymer (ORP) [Osmium (2,2’‐bipyridine)2(poly‐vinylimidazole)10Cl]Cl were combined with a glassy carbon paste electrode (GCPE) to form a bioanode for a microbial fuel cell (MFC) based on G. oxydans . Although there are G.oxydans / ORP combined bioanode in the literature, as far as it is known, this system is the first one where G.oxydans /ORP bioanode is combined with a cathode and a MFC is formed. After the optimization of experimental parameters, analytical characteristics of ORP/G. oxydans /GCPE bioanode were investigated. ORP/G. oxydans /GCPE showed two linear ranges for ethanol substrate as 1.0–30 mM (R²=0.902) and 30–500 mM (R²=0.997) and analytical range as 1.0–1000 mM. Limit of detection (3.0 s/m) and limit of quantification (10 s/m) values were calculated as 1.29 mM and 4.30 mM respectively where the RSD value was 1.16 % for n=5. Combining the developed bioanode in the presence of 5.0 mM K₃Fe(CN)₆ mediator with a Pt wire cathode a double compartment MFC was obtained via a salt bridge. G. oxydans /GCPE bioanode based MFC had maximum power density of 0.133 μW cm⁻² (at 33.5 mV), maximum current density as 8.73 μA cm⁻² and OCP value of 156 mV. On the other hand, ORP/G. oxydans /GCPE based MFC showed maximum power density as 0.26 μW cm⁻² (at 46.8 mV), maximum current density as 15.079 μA cm^‐2 and OCP value of 176 mV.     

Use of Pineapple Waste as Fuel in Microbial Fuel Cell for the Generation of Bioelectricity

The excessive use of fossil sources for the generation of electrical energy and the increase in different organic wastes have caused great damage to the environment; these problems have promoted new ways of generating electricity in an eco-friendly manner using organic waste. In this sense, this research uses single-chamber microbial fuel cells with zinc and copper as electrodes and pineapple waste as fuel (substrate). Current and voltage peaks of 4.95667 ± 0.54775 mA and 0.99 ± 0.03 V were generated on days 16 and 20, respectively, with the substrate operating at an acid pH of 5.21 ± 0.18 and an electrical conductivity of 145.16 ± 9.86 mS/cm at two degrees Brix. Thus, it was also found that the internal resistance of the cells was 865.845 ± 4.726 Ω, and a maximum power density of 513.99 ± 6.54 mW/m² was generated at a current density of 6.123 A/m², and the final FTIR spectrum showed a clear decrease in the initial transmittance peaks. Finally, from the biofilm formed on the anodic electrode, it was possible to molecularly identify the yeast Wickerhamomyces anomalus with 99.82% accuracy. In this way, this research provides a method that companies exporting and importing this fruit may use to generate electrical energy from its waste.     

污泥水解液基质微生物燃料电池的研究

研究不同污泥热水解时间下水解液特性及其对微生物燃料电池（MFC）产电的影响.水解时间由2 h增至96 h,水解液pH基本稳定于7.4 ~ 8.0;水解时间增加,其电导率逐渐提高至2.53 mS·cm^-1,COD浓度和碱度也不断增加,水解液的缓冲能力不断得到提高.MFC最大功率密度达到25 W·m^-3,COD去除率呈现先增后降,水解6 h时达到最大（47%）;库仑效率在预水解4 h时达到最高（71%）.阳极室pH下降可归因于NH⁴⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子迁移,其中NH⁴⁺的迁移量最大.     

复合菌体及单一菌体催化的微生物燃料电池产电机理初步研究

利用淡水沉积物作为接种源构建了微生物燃料电池,考察苯酚对该微生物燃料电池性能的影响.结果表明,在淡水沉积物接种的微生物燃料电池中,电流的产生是由富集在电极表面的细菌引起的.苯酚降低了细菌消耗葡萄糖的速率,并在加入相同量葡萄糖的情况下,延长了产电时间.另一方面,实验还研究了一株从沉积物微生物燃料电池中分离出的单菌株的产电情况.该菌株在微生物燃料电池中需要借助自身代谢产生有电极反应活性的中间产物才能产电.GC-MS分析表明,中间产物中有吩嗪类物质,该类物质可在该细菌细胞与石墨电极之间充当电子传递介体,实现电子从细胞向电极的传递.     

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。     

Redox‐Triggered Self‐Rolling Robust Hydrogel Tubes for Cell Encapsulation

In this study, mechanically strong hydrogels are synthesized by photopolymerization of 2‐vinyl‐4,6‐diamino‐1,3,5‐triazine, poly(ethylene glycol) methacrylate, and disulfide‐containing cross‐linker, N′N‐bis(acryloyl)cystamine. The bilayer hydrogel with distinct cross‐linking density is shown to self‐roll into a 3D tube, which could still be well reinforced by hydrogen bondings, upon exposing reductants such as 1,4‐dithio‐DL‐threitol (DTT) or L‐glutathione (GSH), because the redox‐induced cleavage of disulfide bonds results in the imbalanced internal shrinking stress between two layers. At an intracellular level of GSH, model L929 cells‐seeded bilayer gel sheet could curl up into a 3D tubular scaffold where the cells maintained good viability.

     

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。     

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。