直立TiO2納米片修飾碳電極在微生物燃料電池中的應(yīng)用.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)是一種綠色能源器件，它通過(guò)微生物以胞外電子轉(zhuǎn)移(extracellular electron transfer，EET)的方式將其代謝過(guò)程產(chǎn)生的電子釋放到陽(yáng)極和外電路，從而將有機(jī)物中儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。陽(yáng)極材料及其表面結(jié)構(gòu)是影響微生物產(chǎn)電的重要因素，納米材料的表面修飾是優(yōu)化陽(yáng)極性能的有效方法。納米TiO2因其優(yōu)異的穩(wěn)定性、環(huán)境與生物相容性及豐富的納米結(jié)構(gòu)是陽(yáng)極修飾的優(yōu)選

2、材料。但TiO2相對(duì)低的電導(dǎo)是其在MFC陽(yáng)極應(yīng)用中的限制因素，通過(guò)優(yōu)化納米TiO2的形貌結(jié)構(gòu)改善其電子傳導(dǎo)能力是該領(lǐng)域中仍有待探索的課題。本文通過(guò)在電極表面生長(zhǎng)直立取向的納米結(jié)構(gòu)改善TiO2修飾陽(yáng)極的界面電子傳導(dǎo)能力，分析納米TiO2對(duì)微生物EET的影響及其作用機(jī)制;并通過(guò)NH3處理和復(fù)合導(dǎo)電聚合物進(jìn)一步提高納米TiO2修飾陽(yáng)極的電子傳導(dǎo)能力以及促進(jìn)MFC產(chǎn)電的能力。主要結(jié)果如下:
　　1、首次在碳紙電極(CP)表面修飾了垂直生長(zhǎng)

3、的TiO2納米片（TiO2-NSs）結(jié)構(gòu)。分析表明水熱法原位生長(zhǎng)的TiO2-NSs約1μm長(zhǎng)，200-600 nm寬，15nm厚，具有銳鈦礦晶型結(jié)構(gòu)。直立取向的TiO2-NSs提供了電子轉(zhuǎn)移的直接路徑，避免了納米顆粒修飾結(jié)構(gòu)中的粒間界阻抗，從而有效改善了電子的傳導(dǎo);同時(shí)TiO2-NSs陣列在電極表面形成3D開(kāi)放的孔道結(jié)構(gòu)，不僅提高了表面積，也有利于界面的傳質(zhì)。在TiO2-NSs/CP電極上接種混合菌，成功啟動(dòng)了MFC并實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期穩(wěn)定的輸

4、出。相比基于CP電極啟動(dòng)的MFC，最大輸出功率密度提高了63％。該結(jié)果證明在不復(fù)合其它導(dǎo)電材料的情況下，通過(guò)引入合適的納米結(jié)構(gòu)，單純的納米TiO2修飾能夠顯著增強(qiáng)微生物的產(chǎn)電能力，顯示了納米TiO2在高性能MFC陽(yáng)極中的應(yīng)用前景。
　　2、利用S.loihica PV-4作為模式產(chǎn)電菌，分析了產(chǎn)電菌外膜c型細(xì)胞色素蛋白(OMCs)在TiO2-NSs/CP電極上的電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)ket。生物電化學(xué)分析表明，含極性基團(tuán)的超親水性的Ti

5、O2-NSs表面與微生物間的相互作用，不僅能夠提高電極表面的生物量，也能調(diào)節(jié)OMCs在TiO2-NSs/CP電極上的氧化-還原性質(zhì)。TiO2-NSs表面的極性基團(tuán)與OMCs的作用有利于外膜蛋白向易于給出電子的構(gòu)象調(diào)整，使OMCs的中點(diǎn)電勢(shì)向負(fù)電勢(shì)方向移動(dòng);同時(shí)微生物EET過(guò)程導(dǎo)致TiO2-NSs表面的質(zhì)子化，使TiO2的平帶電位向正電勢(shì)方向移動(dòng)。電子給體與受體氧化-還原能級(jí)的這種協(xié)同性移動(dòng)有利于提高OMCs的界面電子轉(zhuǎn)移速率，其在TiO

6、2-NSs/CP上的ket是在CP上的3倍。該研究首次揭示了納米TiO2對(duì)微生物EET過(guò)程的催化能力，進(jìn)一步顯示了納米TiO2在高性能MFC陽(yáng)極中的應(yīng)用潛力。
　　3、氨氣(NH3)中處理是對(duì)TiO2進(jìn)行摻雜提高其導(dǎo)電性的有效方法。研究了在四種溫度(400℃、500℃、600℃和700℃)下處理TiO2-NSs/CP后電極的電化學(xué)性能及相應(yīng)MFCs的輸出。結(jié)果表明，在NH3處理后的電極上接種PV-4作為陽(yáng)極，均不同程度上提高了MF

7、C的最大輸出功率密度，其中600 C時(shí)處理的電極（600-NTiO2-NS s/CP）效果最好，表現(xiàn)出最好的導(dǎo)電性、最低的電荷轉(zhuǎn)移電阻以及最大的電荷儲(chǔ)存能力。相比TiO2-NSs/CP陽(yáng)極，600-NTiO2-NSs/CP陽(yáng)極上的最大輸出功率密度提高了50.3％。
　　4、不同材料的復(fù)合能夠?qū)崿F(xiàn)取長(zhǎng)補(bǔ)短、協(xié)同作用，是提高電極性能的重要方法。研究了TiO2-NSs與導(dǎo)電聚苯胺(PANI)的復(fù)合作用。分別經(jīng)過(guò)5、10、15、20及25

8、次電化學(xué)掃描循環(huán)在TiO2-NSs上電聚合修飾了不同量的PANI。生物電化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，20次電化學(xué)循環(huán)聚合所得復(fù)合電極(TiO2-20PANI/CP)具有最低的電荷轉(zhuǎn)移電阻和最大的電荷儲(chǔ)存能力，表現(xiàn)出最好的性能，作為MFC陽(yáng)極時(shí)，最大輸出功率密度達(dá)到了813mW/m2，相比TiO2-NSs/CP陽(yáng)極增加了63.6％。而采用最優(yōu)的方法在600-NTiO2-NSs/CP上復(fù)合PANI作為MFC陽(yáng)極，最大輸出功率密度達(dá)到了1109mW/m2，