微生物燃料電池生物膜結(jié)構(gòu)與電催化活性的關(guān)系.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是一種微生物技術(shù)與電池技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是利用微生物的催化作用分解有機(jī)底物，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的新技術(shù)。而且，很多微生物菌株具有電化學(xué)活性，這大大拓寬了MFCs的應(yīng)用領(lǐng)域，如廢水處理產(chǎn)電、生物傳感器等。因此，MFCs研究與應(yīng)用對緩解當(dāng)前的資源短缺與環(huán)境危機(jī)意義重大。本文主要在雙室型MFCs基礎(chǔ)上成功構(gòu)建了陽極生物膜體系，并建立了兩種生物量測定方法。在空氣陰極型MFCs基

2、礎(chǔ)上探究了碳負(fù)載MnO2作為催化劑對電池產(chǎn)電的影響，并比較了MnO2含量不同的陰極材料的性能。最后，研究了電子介體核黃素對糞腸球菌產(chǎn)電的影響。
　　一、MFCs陽極生物膜的構(gòu)建以及生物量測定方法探究
　　本章首先考察MFCs成功啟動后陽極生物膜的生長情況，電池的放電情況。調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件，觀察實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象，測定細(xì)菌生長曲線。同時，作為微生物總量指標(biāo)，本章探討了微生物磷脂的測定方法和微生物蛋白質(zhì)的測定方法，并用這兩種方法同時對

3、陽極生物量進(jìn)行了測定。最后，初步探討了生物量與極限電流的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，陽極未接種污泥的電池產(chǎn)電性能明顯低于接種了污泥的電池產(chǎn)電性能，接種了污泥的電池陽極電極富集了一層生物膜，說明生物膜的形成對電池產(chǎn)電很重要。改變通過電池陽極電極的電流值，利用生物量測定方法對電極表面的生物膜生物量的進(jìn)行測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該電池體系中電池能承受的極限電流為6 mA。在極限電流范圍內(nèi)，陽極電極表面生物量與通過的電流值成線性關(guān)系，說明適當(dāng)增加通過電極的電流可以促

4、進(jìn)生物膜的生長，提高生物膜的電催化活性。
　　二、碳負(fù)載MnO2作催化劑對空氣陰極型MFCs的電化學(xué)性能影響
　　本章以氧氣為直接電子受體的空氣陰極構(gòu)建MFCs。以活性炭和高錳酸鉀為原料，通過水熱法合成碳負(fù)載MnO2作為陰極催化劑。對碳負(fù)載MnO2進(jìn)行了表征?？疾炝薓nO2含量不同的碳負(fù)載MnO2材料對空氣陰極MFCs的電化學(xué)性能的影響。樣品的XRD表征，氮?dú)馕摳角€及孔徑分布，形貌結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，合成的碳負(fù)載MnO2材

5、料為介孔結(jié)構(gòu)，含有8％ MnO2的材料性能最好，孔徑最大，為11.69 nm。電化學(xué)性能測試結(jié)果表明純活性炭作催化劑的電池電化學(xué)性能明顯比碳負(fù)載MnO2作催化劑電池電化學(xué)性能差，而且， MnO2含量為8％時，電池電化學(xué)性能也最好，放電時間最長。
　　三、MFCs中糞腸球菌以核黃素為電子介體的細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移
　　革蘭氏陰性菌在微生物燃料電池中的應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛關(guān)注。在本章節(jié)中將在微生物燃料電池中引入革蘭氏陽性細(xì)菌一糞腸球菌。在