微生物燃料电池电极材料的最新研究进展

微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）,是一种同步废水处理与产能的新技术——以微生物为催化剂降解废水中的有机物,将其中的化学能转化为电能。本文介绍了微生物燃料电池阳极和阴极材料以及电极催化剂的最新研究进展,讨论了提高微生物燃料电池性能的方法,即通过使用纳米材料修饰电极来提高微生物及催化剂的吸附面积、结合不同材料的优点制作复合材料做催化剂来克服单一材料的不足之处,以期研究和开发出高性能的微生物燃料电池;指出微生物燃料电池的应用前景是将微生物燃料电池与其它技术相耦合来提前实现它的实际应用。     

微生物电解池辅助CO2甲烷化阴极材料的研究进展

微生物电解池（microbial electrolysis cell,MEC）产甲烷技术是一种有望成为缓解能源危机与温室效应的重要新型途径。它以外界输入的较小电能为能量来源,以微生物为催化剂,在阳极通过分解有机物形成电子和质子;在阴极产生氢气和甲烷。近年来,MEC在反应器构型、阴极材料设计及电子转移途径、微生物群落结构组成等方面的研究取得了重要进展,寻找高效低价的阴极材料催化剂,实现MEC从概念到应用成为相关领域的研究热点。本文综述了MEC耦合厌氧消化系统产甲烷的工作原理和常见阴极材料的发展现状;分别对碳基阴极、金属基阴极及复合阴极的甲烷产率进行了阐述;系统介绍了不同阴极系统的电子传递方式、电化学特性、生物相容性、微生物群落结构组成等属性;讨论了各类电极的优缺点,并指出了今后的重点研究方向,以期为MEC耦合厌氧消化产甲烷技术的工程应用提供基础。     

微生物电解池产甲烷技术研究进展

微生物电解池（microbial electrolysis cell,MEC）产甲烷技术是以微生物为催化剂,利用外界输入的电能将CO₂或有机污染物转化为甲烷的新技术。MEC在实现CO₂处置与能量转化的同时,能够处理污水、污泥、沼渣等多种污染物并生产甲烷,具有能量转化率高、生产成本低、环境友好等特点,可望成为解决能源紧缺和环境破坏问题的重要途径之一。近年来,MEC在产甲烷生物阴极结构及电子传递途径、产甲烷微生物群落等方面得到了广泛关注,同时,MEC耦合厌氧消化或其他废水处理系统形成的产甲烷新技术也逐渐研发并成为研究热点。本文综述了产甲烷生物阴极、产甲烷微生物群落等方面的研究现状,介绍了MEC耦合厌氧消化或其他系统产甲烷新技术,总结并分析了MEC产甲烷技术的研究方向和实用化过程仍需解决的技术难题。     

微生物电解池产甲烷技术研究进展

微生物电解池(microbial electrolysis cell,MEC)产甲烷技术是以微生物为催化剂,利用外界输入的电能将CO_2或有机污染物转化为甲烷的新技术。MEC在实现CO_2处置与能量转化的同时,能够处理污水、污泥、沼渣等多种污染物并生产甲烷,具有能量转化率高、生产成本低、环境友好等特点,可望成为解决能源紧缺和环境破坏问题的重要途径之一。近年来,MEC在产甲烷生物阴极结构及电子传递途径、产甲烷微生物群落等方面得到了广泛关注,同时,MEC耦合厌氧消化或其他废水处理系统形成的产甲烷新技术也逐渐研发并成为研究热点。本文综述了产甲烷生物阴极、产甲烷微生物群落等方面的研究现状,介绍了MEC耦合厌氧消化或其他系统产甲烷新技术,总结并分析了MEC产甲烷技术的研究方向和实用化过程仍需解决的技术难题。     

新型复合纳米材料用于微生物燃料电池研究进展

介绍了碳纳米管、石墨烯及二氧化钛等新型复合纳米材料的特性和结构,简述了新型复合纳米材料部分制备方法。通过分析不同材料作为微生物燃料电池电极的性能,对未来微生物燃料电池电极材料提出展望。认为微生物燃料电池是一种新兴的废水处理与产电技术,完善电极材料的设计及制备是提高其性能最有效的方法之一。指出新兴复合纳米材料在微生物燃料电池中的方向应更具有针对性的水质,今后的发展方向和研究重点是微生物燃料电池的规模化、复合纳米材料的经济性、稳定性以及生物相容性等。     

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Cd~(2+)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Cd~(2+)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,Cd~(2+)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Cd~(2+)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,Cd~(2+)去除率80%以上。经XRD分析,MEC阴极还原产物为CdCO3。     

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。     

发酵制氢废液的微生物电解池产氢

采用单室微生物电解池（MEC）反应器为实验装置,通过预处理技术强化发酵制氢废液中乙酸的积累,并将该发酵废液作为底物,考察了以废液中累积的乙酸作为主要电子供体、碳布为阳极、涂布有Ni纳米颗粒的不锈钢网为催化阴极的产氢效果。结果表明,在MEC中,以预处理的发酵制氢废液积累的乙酸为底物,最高产氢率可达(1.31±0.04) m3H2/(m3?d)和(2.78±0.11) mLH2/mgCOD,同时可获得138.6%±3.1%的能量效率和99.0%±0.3%的COD去除率。实验表明,利用MEC可将发酵末端产物进一步降解,从而减弱了“发酵障碍”现象,实现了治污和产能的统一。     

微生物电解池制氢技术的研究进展

综述了微生物电解池(Microbial electrolysis cell,MEC)产氢与其他方式产氢的不同,阐述了其基本原理,分析了制氢的影响因素,包括反应器的类型、底物的不同、电极材料以及阴极催化剂等,并展望了微生物电解池以难降解的工业废水为底物产氢的应用前景.     

微生物燃料电池高效产电的研究进展

结合微生物燃料电池研究进展,从提高微生物燃料电池的产电性能出发,讨论了目前微生物燃料电池发展的主要限制因素和应用前景。对影响微生物燃料电池产电性能的4个主要影响因素,电池构型、阳极室(电活性微生物、阳极材料)、阴极室(电子受体、催化剂)、阴阳极分隔材料进行了分析。认为目前对于低成本的电极材料和构型的扩大研究较少,微生物燃料电池由于其成本较高、产能较低,仍然难以进行实际的扩大应用。开发出低成本的电极材料和催化剂,并在实际应用中将其与其他水处理技术进行耦合应是是未来微生物燃料电池的研究重点。在此基础上,建立和优化微生物燃料电池数学模型,深入研究堆叠式微生物燃料电池产生的电压反转的原因也会对未来这一技术的改进提供可靠的帮助。     

Microbial electrolysis cell as an emerging versatile technology: a review on its potential application,advance and challenge

Microbial electrolysis cells (MECs) have been studied in a wide range of potential applications such as recalcitrant pollutants removal, chemicals synthesis, resources recovery and biosensors. However, MEC technology is still in its infancy and poses serious challenges for practical large-scale applications. To understand the diversified applications of MEC, this review aims to explore MEC applications in the following contexts: an overview of MEC for energy generation and recycling such as hydrogen, methane, formic acid and hydrogen peroxide; contaminant removal, specifically complex organic pollutants and inorganic pollutants; as a sensor; as well as resource recovery. New concepts of MEC technology; configuration optimization; electron transfer pathways in biocathodes, and coupling with other technologies for value-added applications such as MEC-anaerobic digestion, MEC-MFC, MEC-MDC and bio-E-Fenton system are discussed. Finally, challenges and outlooks are suggested. The review aims to assist researchers and engineers to understand the latest trends in MEC technologies and applications. © 2018 Society of Chemical Industry     

锂离子电池纳米正极材料合成方法研究进展

纳米材料具有独特的物理和化学性质。纳米技术的应用为开发高能量和高功率的锂离子电池多元化发展提供了方向,成为锂离子电池电极材料发展的重要途径。本文介绍了纳米级锂离子电池正极材料的各种合成方法及电化学性能,如：固相法喷雾干燥法、微波合成法、溶胶凝胶法、冷冻干燥法等,指出电极材料纳米化应用中的问题并给出建议,展望了纳米正极材料实用化的美好前景。     

重金属废水电沉积处理技术研究及应用进展

重金属污染物具有毒性和不可降解等特点,对生态环境及生物多样性构成威胁,危害人类健康。处理重金属废水的方法很多,电化学方法是其中一种重要的清洁技术,其用途广泛,可以有效去除和回收废水中的重金属离子。本文聚焦于电沉积法,介绍其在重金属废水处理过程中的反应原理和传质机理,重点阐述影响其处理重金属废水效率的主要因素,包括反应器结构、电极材料、电压、电流密度、pH、废水温度、重金属浓度、杂质离子、电流形式、电沉积时间等。同时概括了电沉积技术在重金属废水处理方面的应用情况,并指出了电沉积法处理重金属废水的重要研究方向,如三维电极及新型电极材料的研发、能耗优化、不同重金属离子的分离等,为重金属废水的治理和电沉积技术的研究与应用提供指导。     

固碳产甲烷微生物阴极能质传输特性数值模拟

固碳产甲烷微生物电合成系统以附着其电极表面的生物膜为催化剂，可以在处理废水的同时将CO₂转化为甲烷，极具应用前景。微生物阴极是该系统的核心部件之一，其表面生物膜内的能质传输特性极大地影响系统性能。针对微生物阴极能质传输特性尚不明确的问题，推导了微生物阴极电极反应动力学方程（Nernst-Monod方程），构建了耦合生化/电化学反应的物质传输理论模型，研究了不同阴极电势、生物膜电导率以及孔隙率对阴极生物膜内电荷及物质传输的影响规律。研究结果表明当阴极电势高于-0.5 V (vs SHE)时，随阴极电势的降低生物膜内电流密度增大，底物浓度降低；但当阴极电势降低至-0.5 V(vs SHE)后，生物膜消耗电子还原底物的能力几乎达到饱和；低电导率（<10^-3 S/m）会导致生物膜内形成明显的电势差，使得底物利用速率降低，严重影响微生物阴极的性能；生物膜孔隙率控制在0.4时，微生物阴极可达到最佳电流密度。     

电化学法对印染废水CODCr的处理效果研究

印染废水成分复杂,可生化降解性差。采用Fe-PbO2/不锈钢为阳极,不锈钢为阴极,活性炭为颗粒电极,电催化氧化处理上海某印染厂废水。当pH为3,电流密度为0.028 A/cm2,硫酸铝浓度为0.16 mol/L,极板距离为6 cm,电解时间为10 min时CODCr去除率达到71.1%,BOD5/CODCr由处理前的0.126上升为0.34,可生化降解性明显提高。Fe-PbO2/不锈钢阳极和不锈钢阳极在印染废水中的循环伏安曲线表明镀PbO2层的不锈钢电极具有较好的催化活性。     

Electrocoagulation of fermentation wastewater by low carbon steel (Fe) and 5005 aluminium (Al) electrodes

Successful application of electrocoagulation technology requires a thorough evaluation of electrode behaviour. This study is concerned with the treatment of fermentation wastewater, generated by molasses-fed biorefineries in large volumes and containing high concentrations of biorecalcitrant, coloured organic melanoidins that form a highly dispersed colloid. The polarisation behaviour, surface morphology and current efficiency of both hot rolled coil steel and 5005 aluminium electrodes were investigated. The steel electrodes were found to be susceptible to aggressive anodic pitting which is attributed to the high chloride content of the wastewater, while the aluminium exhibited anomalous corrosion of the anode and cathode. The redox potential of the wastewater has a significant effect on Fe²⁺/Fe³⁺ speciation with steel electrodes and thus on the decolourising efficiency of electrocoagulation. The practical implications of the corrosion characteristics are discussed.     

复极性三维电极处理硝基苯废水中各影响因子分析

以不锈钢片为阳极,石墨为阴极,经吸附饱和的活性炭粒子为填充材料,研究了复极性三维电极法的处理硝基苯废水的时各影响因子的相互作用。通过正交实验确定了复极性三维电极处理硝基苯废水的最佳操作条件为:电解电压10 V,活性炭投加量25 g,反应时间50 min,初始pH值为5。此条件下废水COD的去除率普遍大于75%。     

Hydrogen production with carbon nanotubes based cathode catalysts in microbial electrolysis cells

BACKGROUND: Microbial electrolysis cell (MEC) has been considered as a promising new technology for the production of bio‐hydrogen from renewable biomass, but low‐cost alternatives to typical cathode material (platinum) are needed. In this study, CNTs‐based electrode alternatives to Pt were examined in a single‐chamber membrane‐free MEC. To the best of our knowledge, the use of carbon nanotube as the MEC cathode catalyst has not been reported so far. RESULTS: For all cathodes, hydrogen production rates increased in response to increase in voltage and the highest hydrogen production was achieved at 0.9 V. At an applied voltage of 0.9 V, MECs with Pt/MWNT cathodes obtained a hydrogen production rate of 1.42 m³ m^?3 day^?1 with a current density of 192 A m^?3, a coulombic efficiency of 94%, a cathodic hydrogen recovery of 65%, and electrical energy efficiency based on electricity input of 126%. CONCLUSIONS: The Pt/MWNT cathode developed demonstrated better electrocatalytic activity than the MWNT cathode and achieved performance comparable with the Pt cathode in terms of hydrogen production rate. These results demonstrate the great potential of using carbon cloth with CNTs‐based electrodes as a cathode material for MECs. Copyright © 2012 Society of Chemical Industry