直立TiO2納米片修飾碳電極在微生物燃料電池中的應用.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)是一種綠色能源器件，它通過微生物以胞外電子轉移(extracellular electron transfer，EET)的方式將其代謝過程產(chǎn)生的電子釋放到陽極和外電路，從而將有機物中儲存的化學能轉換成電能。陽極材料及其表面結構是影響微生物產(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構是陽極修飾的優(yōu)選

2、材料。但TiO2相對低的電導是其在MFC陽極應用中的限制因素，通過優(yōu)化納米TiO2的形貌結構改善其電子傳導能力是該領域中仍有待探索的課題。本文通過在電極表面生長直立取向的納米結構改善TiO2修飾陽極的界面電子傳導能力，分析納米TiO2對微生物EET的影響及其作用機制;并通過NH3處理和復合導電聚合物進一步提高納米TiO2修飾陽極的電子傳導能力以及促進MFC產(chǎn)電的能力。主要結果如下:
　　1、首次在碳紙電極(CP)表面修飾了垂直生長

3、的TiO2納米片（TiO2-NSs）結構。分析表明水熱法原位生長的TiO2-NSs約1μm長，200-600 nm寬，15nm厚，具有銳鈦礦晶型結構。直立取向的TiO2-NSs提供了電子轉移的直接路徑，避免了納米顆粒修飾結構中的粒間界阻抗，從而有效改善了電子的傳導;同時TiO2-NSs陣列在電極表面形成3D開放的孔道結構，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，成功啟動了MFC并實現(xiàn)了長期穩(wěn)定的輸

4、出。相比基于CP電極啟動的MFC，最大輸出功率密度提高了63％。該結果證明在不復合其它導電材料的情況下，通過引入合適的納米結構，單純的納米TiO2修飾能夠顯著增強微生物的產(chǎn)電能力，顯示了納米TiO2在高性能MFC陽極中的應用前景。
　　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型細胞色素蛋白(OMCs)在TiO2-NSs/CP電極上的電子轉移速率常數(shù)ket。生物電化學分析表明，含極性基團的超親水性的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表面的極性基團與OMCs的作用有利于外膜蛋白向易于給出電子的構象調(diào)整，使OMCs的中點電勢向負電勢方向移動;同時微生物EET過程導致TiO2-NSs表面的質(zhì)子化，使TiO2的平帶電位向正電勢方向移動。電子給體與受體氧化-還原能級的這種協(xié)同性移動有利于提高OMCs的界面電子轉移速率，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對微生物EET過程的催化能力，進一步顯示了納米TiO2在高性能MFC陽極中的應用潛力。
　　3、氨氣(NH3)中處理是對TiO2進行摻雜提高其導電性的有效方法。研究了在四種溫度(400℃、500℃、600℃和700℃)下處理TiO2-NSs/CP后電極的電化學性能及相應MFCs的輸出。結果表明，在NH3處理后的電極上接種PV-4作為陽極，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時處理的電極（600-NTiO2-NS s/CP）效果最好，表現(xiàn)出最好的導電性、最低的電荷轉移電阻以及最大的電荷儲存能力。相比TiO2-NSs/CP陽極，600-NTiO2-NSs/CP陽極上的最大輸出功率密度提高了50.3％。
　　4、不同材料的復合能夠?qū)崿F(xiàn)取長補短、協(xié)同作用，是提高電極性能的重要方法。研究了TiO2-NSs與導電聚苯胺(PANI)的復合作用。分別經(jīng)過5、10、15、20及25

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