GO/PEDOT复合材料修饰阳极的制备及其在MFC中的应用

微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置,通过改善阳极特性可以有效提高微生物燃料电池的产电性能。通过恒电流法电沉积制备了氧化石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩(GO/PEDOT)复合材料修饰碳毡(CF)阳极。通过循环伏安法和交流阻抗法考察了电极特性。将其应用到微生物燃料电池中,对其产电性能进行评价。结果表明,GO/PEDOT-CF电极具有较大的比表面积和优良的电化学性能;以GO/PEDOT-CF为阳极的微生物燃料电池,产电性能良好,其最大功率密度和最大电流密度达到1.138W·m?2和4.714 A·m?2,分别是未修饰阳极的4.80倍和5.51倍。因此,GO/PEDOT复合材料是一种优良的阳极修饰材料,可有效提高MFC的产电性能。     

石墨烯/聚苯胺复合阳极的制备及在MFC中的应用

采用化学氧化还原法制备高纯度石墨烯（GR）,利用电化学修饰法得到石墨烯/聚苯胺（GR/PANI）膜阳极,采用红外光谱（FI-IR）、X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）对所制备复合电极进行了表征,采用循环伏安法（CV）、交流阻抗法（EIS）考察了复合电极的电化学性能。将GR/PANI膜阳极应用于固定床微生物燃料电池（MFC）,考察了电池的产电性能。均匀地附着在石墨烯表面,GR/PANI膜电极具有良好可逆性,其电阻小、导电性良好。GR/PANI膜阳极应用于MFC,最大功率密度和开路电压分别为230.2 mW·m^-2和834.6 mV,比未修饰阳极的最大功率密度和开路电压分别提高了110.6%和34.8%,GR/PANI膜阳极的表观内阻也由未修饰阳极的843.2Ω降低为469.4 Ω,且电池启动时间大大缩短,产电稳定性增强。结果表明,GR/PANI复合物是一种优良的电极材料,GR/PANI膜阳极MFC具有良好的产电性能。     

石墨烯/聚苯胺修饰阳极对微生物燃料电池性能的影响

纳米材料修饰阳极可显著提高微生物燃料电池（MFC）性能,本研究主要探索了石墨烯、聚苯胺和石墨烯/聚苯胺复合修饰电极对MFC产电性能的影响。使用电化学方法电镀石墨烯于碳布表面,进一步通过原位聚合法制备聚苯胺来修饰碳布电极。将修饰电极装载入双室型MFC中,测量其产电性能,并对电极进行表征,测量电化学性能。通过扫描电镜观察到, 碳布能够被修饰上石墨烯和聚苯胺,并且聚苯胺附着于碳纤维或石墨烯薄层表面,形成棒状的纳米结构。产电性能方面,装载石墨烯/聚苯胺修饰电极的MFC最大输出电压最高,达到了（291±22）mV,比装载空白碳布电极的对照组MFC提高了175%以上。石墨烯/聚苯胺电极组MFC的最大输出功率密度同样最高,达到了（653 ± 25）mW·m^-2,为空白碳布对照组的10.5倍。实验结果表明：石墨烯/聚苯胺复合修饰电极可有效利用石墨烯导电性好和聚苯胺生物相容性高的优点,显著提高MFC的产电性能。     

PEDOT/MWCNTs复合阳极的制备及在MFC中的应用

采用循环伏安法制备聚3,4-乙烯二氧噻吩/多壁碳纳米管(PEDOT/MWCNTs)导电复合物修饰石墨棒阳极,并应用于厌氧流化床微生物燃料电池(AFBMFC)中以考察其产电性能。采用场发射扫描电镜(FESEM)观察复合阳极的表面形貌及断面结构,并用循环伏安法(CV)和交流阻抗法(EIS)测试了碳纳米管加入前后修饰电极的电化学性能变化。结果表明,复合阳极在MFC中运行时,其最大输出功率密度达到217 mW·m^-2,比未加碳纳米管的PEDOT修饰电极提高30%;相应的开路电压为837.8 mV,运行3 d后污水COD去除率达到96.4%,说明在液固流化床对传质的强化作用下,复合阳极在AFBMFC中具有良好的产电性能和污水处理效果,其中碳纳米管的加入在一定程度上提高了复合阳极的导电性及改善了微生物的附着情况。     

微生物燃料电池阳极的研究进展

产电微生物与电池阳极之间的电子传递效率是影响微生物燃料电池（MFC）产电性能的重要因素之一.通过对阳极材料的改进和修饰可以有效地降低阳极反应的活化能垒,提高电子传递效率,进而提高MFC产电性能.详细介绍了近年来MFC阳极材料的国内外研究进展,并针对当前研究所面临的问题,提出了今后MFC阳极的发展方向.     

电极对微生物燃料电池同时处理有机废水和含铜重金属废水产电性能的影响

实验以有机废水为阳极底物,以活性污泥中的混合菌为阳极接种微生物,以含铜废水为阴极液,构建双室MFC,探讨电极对MFC同时处理有机废水和含铜重金属废水产电性能的影响.结果表明:MFC对阳极有机废水COD的去除率最高为79.1%,对阴极液中Cu²⁺的去除率最高为95.6%.活性炭/石墨棒电极MFC产电性能最优,开路电压最高为800mV,是石墨棒电极MFC的1.25倍,是活性炭/碳纸电极MFC的1.3倍,是碳纸电极MFC的1.5倍.当电极距离为2cm时,MFC开路电压580mV,内阻为181Ω,产电性能最优.电极表面积为75cm²时,MFC的开路电压470mV,是电极表面积为50cm²的MFC的1.1倍,是电极表面积为30cm²的MFC的2.1倍.当A_An/A_cat=0.4时MFC产能最佳,MFC的开路电压最高为600mV,最大功率密度48.2mW/m².     

MFC-MEC耦合系统产电性能及处理含镉重金属废水的研究

以厌氧活性污泥为阳极菌种,乙酸钠为阳极底物,硫酸铜和重铬酸钾溶液为微生物燃料电池（MFC）阴极液,人工模拟含镉重金属废水为微生物电解池（MEC）阴极液,构建MFC-MEC耦合系统,利用MFC的产电驱动MEC运行,在不消耗外部能源的情况下,实现含镉重金属废水中Cd²⁺的去除。实验研究了MFC反应器容积、MFC堆栈、MEC电极材料、MEC阴极液pH对MFC-MEC耦合系统电性能及含镉重金属废水处理效果的影响。结果表明：MFC反应容积的扩大可以提高其产电性能,但与此同时会造成MFC的内阻升高,随着MFC容积的增加,MEC中Cd²⁺去除率逐渐增加,但同时MFC阴极Cr⁶⁺去除率逐渐下降;MFC堆栈可以提高工作组两端电压,串联时最大输出电压为1509 mV,Cd²⁺去除率为69.3%;以钛板作为MEC电极时,微生物能有效附着在阳极表面,MFC阳极COD去除率为85%,MEC中Cd²⁺去除率为51.5%;MEC阴极液pH在3~5时,有利于含镉重金属废水的处理,Cd²⁺去除率80%以上。经XRD分析,MEC阴极还原产物为CdCO₃。     

循环伏安扫描对微生物燃料电池启动和产电性能的影响

微生物燃料电池（MFCs）的启动及产电性能直接影响其应用于对实际废水的处理。以屠宰厂废水为基质研究了循环伏安扫描对单室空气阴极微生物燃料电池启动和产电性能的影响。结果表明：经过24 h CV扫描的MFCs其启动时间比常规电阻（1000 Ω）直接启动的MFCs缩短了71.4%（从420 h缩短至120 h）,MFCs最大功率密度提高了21.5%,达到37.8 W·m^-3。通过电极生物量测定和生物膜表面形貌观察发现,经CV扫描的阳极生物量显著提高且生物膜的产电菌占优势是MFCs性能提高的主要原因。说明CV扫描不断促进产电菌在阳极表面的吸附,而且增加产电微生物的生长速度。这一技术为发展MFCs的快速启动和提升MFCs的产电性能提供了新思路。     

利用生物活性炭提高微生物燃料电池产电性能

通过比较三组微生物燃料电池（MFC）的产电性能,考察使用生物活性炭（BAC）对提高MFC产电性能所起的作用。它们分别是：在阳极室内未投加活性炭的、投加了柱状活性炭的和投加了小颗粒活性炭的3种MFC。投加时机是在电池启动阶段,此时微生物在活性炭上驯化出生物膜,即形成生物活性炭,目的是辅助阳极富集更多微生物。结果表明,投加了小颗粒活性炭的MFC在产电性能和污水处理上具有优势。该电池最大容积功率密度达到1540 mW/m³ ,COD去除率达到了88%。     

碳纤维阳极构造对微生物燃料电池性能的影响

微生物燃料电池（MFCs）阳极性能受生物膜的影响,而生物膜则直接与阳极表面积有关。以不同长度和数量的碳纤维丝作为阳极,研究了阳极构造和表面积对MFC输出功率的影响。当阳极为单根长度为1 cm碳纤维丝时,MFC产生的最大功率密度最高,为10.50 W·m^-2,随着碳纤维丝长度逐渐增加（2～14 cm）,MFC产生的最大功率显著下降。以多根的长度为2 cm碳纤维丝构成阳极时,MFC的功率与根数（1～4 根）呈正比,当采用4根2 cm纤维丝时,MFC的最大功率密度为2.92 W·m^-2,该数值为单根8 cm碳纤维丝的2.78倍。观察碳纤维丝长度方向上的生物膜的分布表明：受碳纤维欧姆电阻的影响,在碳纤维丝电流引出端附近的生物量明显大于碳纤维其他地方,这说明：增加纤维丝长度虽可提高阳极的表面积,但并不能提高阳极的产电性能。     

阳极双电层电容对微生物燃料电池性能的影响

采用3种活性炭粉制备具有不同电容的阳极,研究了双电层电容阳极对单室空气阴极微生物燃料电池启动、运行、性能、阳极生物膜附着的影响。结果表明:当电极表面积相近的情况下,阳极双电层电容从0.0012 F增加到22.72 F时,微生物燃料电池启动时间缩短了68.0%,电池的最大功率密度增加了16.8倍,达到546.1 m W·m-2。扫描电子显微镜的结果表明高电容的阳极表面附着的微生物量比低电容电极的高1倍。因此,微生物燃料电池性能受阳极双电层电容的影响,而与阳极表面积的相关性小。     

3D打印微生物燃料电池阳极及其性能特性

微生物燃料电池是一种处理废水同时产生电能的新型装置，阳极作为微生物燃料电池的重要组件极大地影响电池性能。针对微生物燃料电池传统三维电极结构不合理导致电极内部物质传输受限，电池功率密度较低的问题，本文采用3D打印技术并碳化的方式构建了结构可控的微生物燃料电池阳极，通过热重分析得到合适的碳化条件，并通过进一步的电化学分析和电极微观形貌拍摄研究了电极内部孔道结构对微生物生长情况和电池性能的影响。实验结果表明：电极孔径尺寸为0.4mm时，电池具有最优性能，其最大功率密度达12.85W/m²，比采用碳布阳极的MFC提升10倍，较采用碳毡阳极的燃料电池高38%；具有可控孔道结构电极的传荷阻抗和传质阻抗是限制电极性能的主要因素，通过优化孔道尺寸和结构分布可降低其传荷及传质阻抗，可以进一步提升电池性能。     

微生物燃料电池MnO2/S-AC泡沫镍空气阴极的制备及其性能

利用超级电容器活性炭(S-AC)直接还原KMnO₄制备出复合比例分别为1:3、1:1和3:1的MnO₂/S-AC复合催化剂, 进而负载于泡沫镍上制得MnO₂/S-AC泡沫镍空气阴极。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能量散射X 射线谱(EDX)和比表面积(BET)及孔分布测试对所制复合催化剂表征可知, 随复合比例的增加, 在S-AC表面的MnO₂由纳米薄片聚集成粒径为300～500 nm的颗粒, MnO₂/S-AC的内部及外部表面积都有所减少。基于线性扫描伏安曲线、功率密度曲线和极化曲线分析微生物燃料电池(MFC)的阴极性能和产电性能。复合比例为1:3时, MFC最大功率密度达到321.2 mW·m^-2, 比阴极负载S-AC时提高了约20%, 这与其较高的比表面积和MnO₂良好的催化活性相关。MnO₂/S-AC复合催化剂控制在一定的质量比时, 可以有效提高阴极性能及MFC的产电效果, 有助于空气阴极MFC的的放大和工程应用。     

以沼液为原料的微生物燃料电池产电降解特性

为提高生物质能源利用效率,降低废水处理成本,实验构建单室无膜空气阴极微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）,碳布作为阴阳极材料,将牛粪沼液作为接种液及底物进行产电性能测试,同时考察了MFC对该沼液的降解效果。结果表明,MFC能够利用沼液进行产电,最高输出电压330 mV,内阻10 kW,最大功率密度为10.98 mW·m^-2,沼液中的不可溶性物质是导致MFC输出电压、功率密度低的重要原因。MFC的运行对沼液中的有机物、氮、磷等物质具有一定的降解能力,24 h内去除率分别达到20.73%、67.82%、72.56%。因此,MFC作为产生电能的新方法,在联合处理沼液等有机废水节能减排方面具有广阔前景。     

化学氧化改性微生物燃料电池阳极

浓HNO₃和酸性K₂Cr₂O₇都具有一定的氧化性,分别利用浓HNO₃和酸性K₂Cr₂O₇对阳极碳布进行氧化改性处理。通过红外光谱测试显示,碳布表面附着了羟基(-OH)和羧基(-COOH)。通过扫描电镜观察,碳布经过氧化改性后表面明显变粗糙。同时,循环伏安曲线(CV)和交流阻抗曲线(EIS)测试表明,经过改性后的碳布具有良好的电化学特性。分别以经过浓HNO₃和酸性K₂Cr₂O₇改性处理后的碳布作为微生物燃料电池(MFC)的阳极,获得的最大功率密度分别为291.11 mW·m^-2和438.08 mW·m^-2,比未经过改性处理的碳布阳极的功率密度分别提升了21%和82%。     

AD-MFC中甲醇与硝酸盐的偶合过程与作用机制

在双室微生物燃料电池(MFC)阳极内接种反硝化细菌富集培养物,同时加入硝酸盐和甲醇,构建了阳极反硝化微生物燃料电池(AD-MFC),并以批式操作研究了AD-MFC的反硝化产电性能。试验结果表明,在初始硝氮浓度为(100.22±0.62)mg·L^-1,COD浓度为(500.40±1.67)mg·L^-1的条件下,AD-MFC的最大容积NO₃^--N和COD去除速率分别达到0.31 kg N·m^-3·d^-1和1.06 kg COD·m^-3·d^-1,最大电压达到(602.80±5.42)mV,相应最大功率密度为(908.42±0.07)mW·m^-3。AD-MFC的产电过程是甲醇氧化与硝酸盐还原的偶合过程,电压变化与反硝化作用密切相关,可用于指示反硝化进程。AD-MFC的电压曲线呈现降低-升高-再降低的三阶段特性,其原因是反硝化作用、甲醇降解作用和细胞水解发酵作用依次成为阳极液中的主导反应。