基于功能聚合物的微生物-電極界面構(gòu)建及作用機制研究.pdf

1、微生物電化學系統(tǒng)(Bioelectrochemical system，BES)在實現(xiàn)從污染物治理過程回收能量的同時，還可對環(huán)境廢棄物進行資源化轉(zhuǎn)化，有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，微生物/電極界面作用機制研究是該領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵科學問題之一。在BES中，微生物與電極主要存在電子轉(zhuǎn)移和物理附著的聯(lián)系，但微生物附著行為和電子傳遞過程可控性差制約了其性能的提高。本文通過在微生物與電極間引入功能聚合物界面，強化并調(diào)控微生物與電極之間的電子傳遞過程，

2、實現(xiàn)微生物在電極表面的選擇性附著，為BES的高效穩(wěn)定運行提供理論和技術(shù)支持。
　　針對生物附著性能差、界面電子傳遞效率低的非貴金屬電極材料，提出聚吡咯/活性炭修飾電極界面的方法，構(gòu)建復合微生物陽極材料，加速微生物/電極間的電子傳遞。利用氮元素含量較高的馬尾藻基活性碳強化電極與細菌之間的親和性，同時結(jié)合聚吡咯與不銹鋼的高電導率和微觀三維結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電子的快速導出。制備的電極材料在微生物燃料電池(MFC)中的最大輸出功率密度達45.2 W

3、/m3，且電極表面微生物附著更加均勻。對聚吡咯/活性炭修飾不銹鋼材料表面電子傳遞動力學研究表明，底物電子供體濃度相比電極電勢對陽極電子傳遞速率有著更重要的影響。
　　通過在MFC電極引入刺激-響應(yīng)聚合物界面，構(gòu)建復合陰極材料，實現(xiàn)對微生物/電極間電子傳遞過程的間接調(diào)控。利用陰極表面嫁接pH響應(yīng)的聚四乙烯基吡啶，耦合電解液的光致pH變化，構(gòu)建可見光控MFC的“開關(guān)”系統(tǒng)，實現(xiàn)基于光信號的MFC電能輸出的控制。
　　電極表面附著

4、細菌的種類及豐度直接影響到電流大小和穩(wěn)定性。本文開發(fā)了電極表面原位生長細菌印跡聚合物(BIP)在方法，構(gòu)建了細菌選擇性電極，實現(xiàn)電極表面細菌的選擇性附著。利用表面引發(fā)的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合，以Shewannella oneidensis MR-1、GFP-Escherichia coli、Staphylococcus aureus和Enterococcus faecalis作為模板，利用兩種不同電性的甲基丙烯酸酯類單體制備對應(yīng)細菌的選擇性