基于納米材料的微生物燃料電池陽極自介導(dǎo)電子傳遞機理研究.pdf

1、微生物燃料電池是利用微生物作為催化劑，從有機底物中將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。由于其能夠利用有機廢棄物來產(chǎn)電，并具有高能量轉(zhuǎn)化效率，操作條件溫和，成本低廉，排放物無污染等優(yōu)點，已經(jīng)成為最具有發(fā)展前景的綠色新能源之一。然而，由于陽極過電位較高使微生物燃料電池輸出功率一直處于較低水平，要解決這一瓶頸問題的關(guān)鍵是提高陽極微生物與電極之間的電子傳遞效率。本文首先以希瓦氏菌為研究對象，通過合成具有三維多層次孔結(jié)構(gòu)的納米材料增加黃素分子在電極表面的反

2、應(yīng)活性面積從而提高電池性能。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴利用水熱反應(yīng)法和冷凍干燥法，以硫酸亞鐵銨為鐵源和氮源合成的鐵/氮摻雜的還原石墨烯氣凝膠不僅具有較高的比表面積，而且包含有10-20μm孔徑的三維多孔結(jié)構(gòu)和10nm以下的介孔結(jié)構(gòu)。而且當(dāng)反應(yīng)前驅(qū)體中氧化石墨烯與硫酸亞鐵銨的質(zhì)量比為10∶1左右時得到的還原石墨烯氣凝膠具有最大的比表面積和最好的三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)。將這種材料應(yīng)用于電化學(xué)反應(yīng)時可以為發(fā)生氧化還原反應(yīng)的反應(yīng)物提供更多的反

3、應(yīng)位點。同時電催化行為分析結(jié)果表明物理結(jié)構(gòu)最佳的材料在陽極半電池中的CV峰電流最大而且阻抗最小。將該比例的材料作為希瓦氏菌微生物燃料電池的陽極時，顯著提高了電池的放電功率密度與電流密度。
　?、埔韵Ｍ呤暇鸀槟Ｊ缴镞M行的黃素分泌行為微電極實時監(jiān)測實驗結(jié)果顯示，由于陽極室內(nèi)細(xì)菌所分泌的黃素濃度較低，玻碳電極、碳布電極均無法進行實時監(jiān)測，而碳納米管粉末微電極則有較明顯的電化學(xué)響應(yīng)。微電極上黃素分子的氧化還原電位與文獻報道一致，而在放電

4、過程中的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，黃素分子的濃度會隨著放電啟動過程增加，當(dāng)放電電流密度達到穩(wěn)定時，黃素分子的濃度也達到峰值。有趣的是黃素分子濃度達到峰值后會下降，而此時放電電流仍穩(wěn)定在平臺水平。通過分析比較在離陽極較遠(yuǎn)處和陽極附近的黃素分子濃度水平發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離陽極的黃素濃度高于陽極附近的黃素濃度，這一現(xiàn)象有可能是由于陽極對黃素分子有較強吸附造成的。
　?、窃诖竽c桿菌微生物燃料電池陽極進行的微電極實時監(jiān)測結(jié)果顯示，大腸桿菌的電活性物質(zhì)氧化還原

5、峰電位與黃素分子相同，均出現(xiàn)在-0.45 V(vs.SCE)，揭示其電活性物質(zhì)與黃素分子可能具有類似分子結(jié)構(gòu)。綠膿桿菌微生物燃料電池的分析結(jié)果表明，其電活性物質(zhì)的氧化還原峰也出現(xiàn)在相同位置，而不是綠膿菌素的氧化還原電位附近，這表明，綠膿桿菌的代謝產(chǎn)物中還可能有其他物質(zhì)參與胞外電子傳遞過程。以上分析結(jié)果表明，粉末微電極是一種方便有效的實時監(jiān)測手段，有助于了解電池放電過程中陽極室細(xì)菌自分泌介體行為模式，從而為深入解析陽極細(xì)菌自介導(dǎo)胞外電子傳