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。     

温度对微生物燃料电池电化学性能的影响

分别在20℃,37℃和45℃三个温度条件下以间歇方式运行大肠杆菌生物燃料电池(MFC),研究功率密度、电极电势、电化学阻抗等电化学性质随温度的变化规律.结果表明:温度从20℃提高到37℃,最大功率密度从53.35 mW/m2 (275 mA/m2)增加到610.5 mW/m2(2775 mA/m2),增长了10.5倍;同时阳极电极电势降低;且阳极电化学阻抗由741.9 Ω降低到42.4 Ω.在一定温度范围内,升高温度不仅能提高电池功率输出,而且能增强其电化学活性.但是,太高的温度反而不利于生物燃料电池的运行.45℃时的最大功率密度只有171 mW/m2(600 mA/m2),比37℃时最大功率610.5 mW/m2(2 775 mA/m2)减少72％;同时阳极电化学阻抗由42.4 Ω增加到416.1 Ω.大肠杆菌生物燃料电池在37℃时具有最佳的电化学性能.可见,温度在生物燃料电池运行中是一个非常重要的操作参数.     

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。     

不同碳材料阳极对海底微生物燃料电池性能影响

分别以相同投影面积的不同碳材料作阳极,以最大功率、阳极电势和内阻为评价指标,研究不同碳材料对海底微生物燃料电池(BMFCs)产电性能影响,利用塔菲尔曲线比较不同碳材料电化学活性.结果表明:碳纤维、碳毡、泡沫碳、碳棒做阳极时,稳定电位和启动时间基本相同;抗极化性能依次减弱;最大功率密度分别为45.79、22.16、16.85、6.17 mW/m2;电池内阻分别为:213、257、312、358Ω;最大交换电流密度分别为0.33、0.13、0.11、0.01 A/m2;组成电池的稳定输出功率分别为0.72、0.61、0.51、0.32 mW.阳极物质传递分析表明,BMFCs产电性能受阳极材料表面附着微生物数量和底物转移率影响.     

基于降低阳极活化过电势的MFC性能优化研究进展

分析了微生物燃料电池的研究现状和影响其产电性能的主要因素,以及阳极活化过电势影响电池产电性能的过程,综述了从改善阳极电流-电势关系角度提高微生物燃料电池产电性能的研究进展. 分析认为,改善阳极电流-电势关系的关键是增加交换电流密度和增强异相电子传递,具体方法包括选择最适的阳极材料、优化阳极表面物理化学性质、筛选高效产电菌. 未来可从优化阳极材料几何结构、筛选高电催化活性产电菌及深入研究产电菌胞外电子传递过程的限制因素,如纳米导线与胞外细胞色素的作用机理等方面加强研究,优化微生物燃料电池产电性能.     

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469.4Ω,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。     

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。     

运行因素对猪场废水微生物燃料电池产电性能的影响

以猪场废水为基底构建双室微生物燃料电池,分别研究温度、pH和阳极液搅拌对微生物燃料电池(MFC)产电性能和废水净化效果的影响。结果表明,在一定范围内,温度的提升有助于增强微生物的电化学活性,微碱性条件下MFC的输出电压和功率密度更佳,阳极室的搅拌有利于提升电池产电和除污性能。实验确定了基于猪场废水处理微生物燃料电池的较优运行因素,为推动微生物燃料电池在污水处理方面的实际应用提供参考。     

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1.138 W·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。     

螺旋藻光合微生物燃料电池产电性能的研究

将微藻与微生物燃料电池(简称MFC)相结合,可以将太阳能转化成电能,这是一种可再生、稳定、高效的产能方式。本论文主要研究了螺旋藻作为MFC阳极产电微生物,以碳酸氢盐或葡萄糖作为底物的产电性能,并通过改变光照强度等条件,探讨影响微藻MFC产电性能的主要因素。以0.1mol/L的铁氰化钾溶液作为阴极液,外电阻为1000Ω,光照强度为12000lx,温度为28℃或30℃,进行电池的运行。螺旋藻MFC可以得到200mV的稳定输出电压,最大功率密度为41.33mW/m2,内阻为2000Ω。研究发现,螺旋藻MFC产生的电压主要依赖于生物膜上的藻,而与悬浮在阳极液中的藻无关。光照强度是影响产电的最主要因素之一,藻的输出电压随着光暗周期的变化表现出明显的周期性。     

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.     

典型大环内酯类抗生素污染物生物电化学降解研究

对利用单室空气阴极微生物燃料电池(MFC)降解水中红霉素(ERY)进行了研究。结果表明,ERY的加入使MFC阳极上的产电菌活性受到抑制,ERY浓度越大,对产电菌抑制性越强。当ERY质量浓度为30 mg/L时,MFC最大功率密度为400 mW/m^2,ERY降解率为(83.21±1.4)%,COD去除率为(84.91±2.1)%。加入ERY后,阳极微生物群落发生改变,但主要物种相同且数量较大,厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)这3类产电菌门为微生物燃料电池的性能发挥了重要作用。     

微生物燃料电池对废水中对硝基苯酚的去除

在以碳纸为阳极、空气电极为阴极、葡萄糖和对硝基苯酚为混合燃料的直接空气阴极单室微生物燃料电池中,考察了微生物燃料电池(MFC)对对硝基苯酚的降解及MFC的产电特性.结果表明MFC对废水中不同浓度的对硝基苯酚均有一定的去除效果,400 mg/L的对硝基苯酚降解4d的去除率74.1%,降解6 d的去除率为82.1%.MFC的输出电压最高为0.293V(外阻1 000Ω),最大输出功率密度为56.5 mW/m3.     

微生物燃料电池法处理腐竹加工废水

探讨了产电微生物的产电特性及其处理腐竹废水的能力。建立双室微生物燃料电池,阳极为腐竹废水,筛选阳极腐竹废水中的优势产电微生物,并通过测序技术鉴定优势产电微生物。调节微生物燃料电池阳极pH和温度,研究负载电压的变化规律。结果表明,阳极的化学需氧量(COD)从16496 mg/L将至668 mg/L。从阳极筛选得到单菌落,提取基因组,聚合酶链式反应(PCR)扩增基因16S rDNA片段,测序结果表明为泛菌(Pantoea)。在电池运行过程中,调至30℃时电池产电能力最佳; pH在8～10的范围内电池产电能力最强,最大功率密度为14 m W/m~2。这为产电微生物在腐竹废水中的应用奠定了基础。     

微生物燃料电池纳米纤维基阳极材料的研究进展

微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）是一种非常有前途的环境友好型电化学装置，它可以利用电活性微生物从废水中提取能源，并降解废水中的有机物，是解决目前环境与能源危机的重要技术。然而，相对较低的产电效率限制了其大规模应用，主要体现在阳极缓慢的胞外电子传递速率（extracellular electron transfer，EET）和较少的产电微生物附着量。纳米纤维由于具有高的比表面积、良好的电化学性能和电导率，是改善阳极的重要材料。本文介绍了影响阳极材料性能的因素，系统总结了近年来国内外纳米纤维基阳极材料的种类与制备方法，针对纳米纤维基阳极材料在MFC领域的研究现状，重点解释了各种纳米纤维材料的优缺点。最后，对纳米纤维基电极材料以及MFC技术的发展方向进行了展望，以期为推动MFC的工程化应用提供理论参考。     

乳酸菌微生物燃料电池产电性能及产电机理研究

采用双室微生物燃料电池（MFC）,以乳酸菌为产电微生物,并以葡萄糖为唯一的电子供体,研究MFC的产电性能以及乳酸菌MFC产电机理。在30 ℃下,底物浓度为1.5 g/L时,该MFC的开路电压稳定在500 mV。实验条件下测得该MFC的最大功率密度为393.23 mW/m²,内阻约为500 Ω。利用气相色谱分析乳酸菌MFC产电过程中代谢产物的含量变化,实验数据表明无论是不参与产电的正常代谢途径还是产电过程中,都涉及到乳酸菌的同型乳酸发酵途径、异型乳酸发酵的经典途径和双歧杆菌发酵途径。在乳酸菌MFC运行过程中人为添加乙醇,该实验结果显示乙醇不利于乳酸菌产电,表明乳酸菌的异型乳酸发酵途径是乳酸菌进行产电的关键代谢途径。     

微生物燃料电池处理含铬废水并同步产电

以葡萄糖为阳极燃料、含铬废水为阴极液,碳毡为阳极、石墨板为阴极构建了双室微生物燃料电池,考察了阳极条件(底物浓度)及阴极条件(pH、初始六价铬浓度)对含铬废水的降解及MFC的产电性能的影响.结果表明低阴极液pH和高初始Cr(Ⅵ)浓度能改善MFC产电性能.当pH=2、初始六价铬浓度为177 mg/L、反应时间为10 h时,最大输出功率为108 mW/m~2,六价铬去除率为92.8%.阳极底物浓度对微生物燃料电池的性能也有影响.在微生物燃料电池中,阴极极化较小,表明该燃料电池有稳定的性能,微生物燃料电池对含铬废水的处理有应用潜力并能同步产电.     

双槽式MFC反应器在生活污水处理中的应用研究

现有对微生物燃料电池用于污水处理的研究多以模拟污水为原水,侧重对阳极槽的研究,而对实际生活污水的研究和对阴极槽的开发较少。研究考察了双槽式MFC反应器处理实际生活污水的产电性能和运行效果,并与乙酸钠和葡萄糖为基质的模拟废水进行了比较。研究结果表明,阳极使用实际生活污水的最低电极电势可以达到-0.232 V,输出功率密度为8 mW/m2,阳极内阻为52Ω,阳极COD去除率达到50%,pH<0.2。从阳极产电能力、COD去除效果和pH稳定性的比较中可以看出实际生活污水与乙酸钠模拟污水效果接近,好于葡萄糖模拟污水。阳极-阴极串联运行效果表明阴极在14 d左右形成生物阴极,生物阴极能以实际污水为碳源进行生长,此时电池的电动势达到0.848 V,内阻为201Ω,出水COD达到50～55 mg/L。     

微生物燃料电池运行过程中的电化学性能

取葡萄糖浓度2 000 mg/L,介体浓度1.66×10~(-1)mmol/L,考察电池长达13天运行过程中的电化学性能变化.电池启动约1.5 h后,开路电压达到最大,电池运行进入平台期.传荷阻抗由第1天的216Ω减小到第4天的76.52Ω,此时生物膜完全成熟,运行平稳且状态佳.至第13天时,传荷阻抗已经增大至1 657Ω,长期运行导致生物膜的电化学活性降低,电池产电能力大大下降.     

活性炭修饰微生物燃料电池阳极的研究

利用活性炭修饰碳布作为微生物燃料电池阳极,并与多壁碳纳米管修饰的阳极和未修饰的碳布进行了的比较。结果表明,装配活性炭修饰碳布阳极运行的微生物燃料电池获得的最大功率密度为510 mW/m2,相较于多壁碳纳米管修饰的阳极和未修饰的碳布阳极分别提升了7%和54.5%。电极的电化学性质利用循环伏安法(CV)和交流阻抗谱(EIS)测试表明,活性炭修饰碳布具有良好的电化学特性。