納米鐵氧化物修飾MFC陽極的制備及其提升微生物產(chǎn)電性能的研究.pdf

1、微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)是一種利用微生物作為催化劑氧化有機物或無機物產(chǎn)生電能的裝置。與其他可再生能源技術(shù)相比，MFC技術(shù)可以從廢水中回收以可生物降解有機物形式存在的能量，在產(chǎn)電的同時達到污水治理的功效，然而當前MFC的發(fā)展受到功率輸出低、成本高的限制。陽極作為MFC必不可少的組成部分，直接影響產(chǎn)電菌的附著和電子的胞外傳遞，是限制MFC性能提升的關(guān)鍵因素，因此選用和開發(fā)合適的陽極材料對于改善MFC的

2、產(chǎn)電性能、降低MFC的成本起著至關(guān)重要的作用。碳質(zhì)材料因其具有生物相容性好、機械強度高、導(dǎo)電性好、價格低廉等優(yōu)勢，已成為目前最受歡迎的MFC陽極材料。
　　Shewanella——兼性厭氧，一類重要的異化金屬還原菌(dissimilatory metal-reducingbacteria，DMRB)——在MFC中作為模式產(chǎn)電菌而被頻繁使用。鐵氧化物作為天然電子受體能夠被Shewanella外膜上的細胞色素C(c-type cyto

3、chromes，c-Cyts)識別而進行直接胞外電子傳遞(direct electron transfer，DET)，受此啟發(fā)我們利用納米鐵氧化物修飾碳紙電極(carbonpaper，CP)，以期提高產(chǎn)電菌的胞外電子傳遞(extracellular electron transfer，EET)速率從而改善MFC的產(chǎn)電性能，本文主要結(jié)果如下:
　　(1)利用100℃6h原位水熱法成功制備了一維(1D)α-FeOOH納米線修飾的碳紙電

4、極(NWs/CP)，其中納米線的直徑在20～60nm，長度在650nm～1μm。利用循環(huán)伏安法(cyclicvoltammetry，CV)和電化學交流阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)研究CP和NWs/CP的電化學活性。在進行42h時間-電流曲線(i-t)測試后，CP的電流密度為0.007mA/cm2，而NWs/CP的電流密度比CP提高了71％，達到了0.012mA/cm2，這

5、是由于α-FeOOH納米線修飾的CP比空白CP更有利于產(chǎn)電菌的附著，且修飾電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻減小。i-t測試結(jié)束后立即進行CV掃描，在-0.285V處，NWs/CP的還原峰值電流是CP的20多倍。以上結(jié)果表明原位水熱法制備的修飾電極具有良好的生物相容性以及優(yōu)異的生物電催化活性，因此可以用作MFC陽極。
　　(2)利用260℃24h原位水熱法成功制備了二維(2D)α-Fe2O3納米片修飾的碳紙電極(NSs/CP)，其中納米片的寬度在

6、5～11μm，厚度在450～800nm。在進行20hi-t測試后，NSs/CP的電流密度為0.0036mA/cm2，約為CP的1.9倍，這可歸因于修飾電極電荷轉(zhuǎn)移電阻的減小。i-t測試結(jié)束后立即進行CV掃描，NSs/CP的CV曲線出現(xiàn)了一對明顯的氧化還原峰，計算得出中點電位為-0.233V(vs.SCE)，這與文獻報道的Shewanella外膜上c-Cyts OmcA的中點電位一致(-201mV vs.Ag/AgCl)，以上說明CP修飾

7、上α-Fe2O3納米片后促進了產(chǎn)電菌利用c-CytsOmcA進行DET，從而提高了傳遞效率。我們還通過控制加水量，制備了寬度分別在400～500nm、180～200nm和60～80nm的α-Fe2O3納米片修飾的CP，電化學測試表明當納米片的寬度由微米級減小到納米級時，更有利于促進產(chǎn)電菌EET速率的提升。
　　(3)利用100℃10h水熱輔以通N2保護情況下500℃2h固相煅燒成功制備了三維(3D)α-Fe2O3介孔納米柱陣列修飾

8、的碳紙電極(NRs-A/CP)，其中單個納米柱的直徑約在70～150nm，長度約在500～700nm。在進行48hi-t測試后，CP的電流密度為0.00640rnA/cm2，而NRs-A/CP的電流密度比CP提高了62.5％，達到了0.0104mA/cm2，這可歸因于修飾電極電荷轉(zhuǎn)移電阻的減小。EIS測試結(jié)束后，用新鮮的DM更換半電池中的電解液，CV測試表明換液對NRs-A/CP和生物膜之間的電子傳遞影響極小，這可能是由于產(chǎn)電菌與NRs