基于納米碳材料和導(dǎo)電聚合物修飾的高性能微生物燃料電池陽極材料的研究.pdf

1、隨著環(huán)境問題和能源危機的日益嚴重，微生物燃料電池（MFC）作為一項新型的污水處理和能源回收技術(shù)引起了國內(nèi)外廣大研究者的關(guān)注。MFC利用產(chǎn)電菌的代謝直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能；此外微生物還可以介導(dǎo)細胞外電子傳遞（EET）。因此，MFC具有很大的潛能而得到廣泛應(yīng)用，比如可以在廢水處理和生物修復(fù)過程中回收能源。然而，低功率輸出仍為其廣泛實際應(yīng)用的主要障礙之一。
　　陽極可以直接影響細菌的附著、底物氧化和電子傳遞，是決定MFC性能和成本的重要

2、因素之一。本文著重研究了MFC的新型陽極材料，采用石墨氈和碳布兩種碳材料作為MFC的陽極基底材料，探討了不同復(fù)合材料修飾陽極對接種腐敗希瓦氏菌SDMCC210239(Shewanella putrefaciens)的無介體雙室MFC產(chǎn)電性能的影響，為制備出高性能低成本的MFC陽極提供了一種簡單、易放大且可控的新方法，主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下：
　?。?）以大孔石墨氈(GF)為基底材料，在其表面電聚合聚苯胺(PANI)，并利用電泳吸附

3、法沉積碳納米管(CNT)，得到碳納米管和聚苯胺可控修飾的石墨氈陽極（CNT/PANI/GF）；通過掃描電子顯微鏡（SEM）、水接觸角測試和電化學(xué)方法對修飾后的石墨氈陽極進行表征；并對CNT吸附條件進行了優(yōu)化，同時提出了紫外可見分光光度法確定CNT的負載量；又分別研究了PANI和CNT對MFC輸出功率的影響；最終通過觀察MFC輸出電壓穩(wěn)定時陽極材料的表面形態(tài)和陽極液的循環(huán)伏安測試，分析了MFC的電子傳遞機制。
　　研究結(jié)果表明：通過

4、SEM圖像顯示，石墨氈表面光滑的碳纖維完全被粗糙的聚苯胺膜覆蓋，碳納米管不規(guī)則地附著或嵌入到聚苯胺層中；通過水接觸角測試，證實了聚苯胺的修飾使石墨氈表面變得更加親水；電化學(xué)測試表明，通過修飾碳納米管，極大程度地增加了PANI/GF的有效面積并提高了其導(dǎo)電性；確定了CNT吸附最佳時間為30min，并計算得到各濃度CNT的負載量，且當(dāng)CNT濃度為125μg mL-1時，負載量為412μg cm-3，基本達到飽和；在優(yōu)化的CNT吸附條件下，以

5、CNT/PANI/GF為陽極構(gòu)建的MFC在恒定外加電阻1.96 kΩ下，最高穩(wěn)定電壓達到了342mV且最大功率密度達到了257mW m-2，與裸GF和PANI/GF陽極構(gòu)建的MFC相比，分別增加了343％和186%，這表明PANI的修飾使GF表面覆蓋上粗糙的聚苯胺膜，有利于碳納米管的進一步修飾和產(chǎn)電菌的附著，隨后CNT又吸附在PANI表面，不僅增強了陽極導(dǎo)電性，而且還可以充當(dāng)納米導(dǎo)線的作用，增強產(chǎn)電菌的胞外電子傳遞，從而提高MFC的輸出

6、功率；最后由產(chǎn)電后陽極的SEM圖像可知，Shewanella putrefaciens通過―納米導(dǎo)線(或者直接附著在陽極表面，此外，陽極液的CV結(jié)果圖中并未出現(xiàn)明顯的氧化還原峰，證明了MFC的電子傳遞機制包括直接接觸和通過―納米導(dǎo)線)輔助傳遞電子。
　?。?）以碳布（CC）為基底材料，通過浸蘸的方法修飾聚吡咯（PPy），又電沉積上CNT，得到CNT/PPy/CC陽極；分別采用瓊脂粉(AG)和殼聚糖(CS)兩種添加劑合成PPy，即P

7、PYAG和PPYCS，并優(yōu)化了PPy的實驗條件；比較了PPYAG和PPYCS修飾CC電極的差異；同時比較了其作為MFC陽極的產(chǎn)電性能，研究了PPy和CNT在MFC產(chǎn)電過程中的作用。
　　研究結(jié)果表明：CNT/PPYCS/CC陽極比CNT/PPYAG/CC陽極穩(wěn)定性更好；在優(yōu)化的PPy條件下，以CNT/PPYCS/CC為陽極的MFC最高電壓為230mV，最大功率密度達201mW m-2，遠大于以CNT/PPYAG/CC為陽極的MFC