微生物燃料电池阳极材料的修饰研究进展

简要介绍了微生物燃料电池以及微生物燃料电池阳极材料,分别从碳纳米管、导电聚合物、石墨烯、金属及金属离子、中介体以及复合材料等方面介绍了目前微生物燃料电池阳极材料修饰的研究进展,最后展望了微生物燃料电池的应用前景。     

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。     

重铬酸钾和氯酸钾改性阳极对MFC性能的影响

针对微生物燃料电池产电电流密度低等问题,提出重铬酸钾(K_2Cr_2O_7)和氯酸钾(KClO_3)改性阳极提高微生物燃料电池性能的方法。以湖底污泥为阳极底物,糖蜜废水为阳极液,高锰酸钾(KMnO_4)和氯化钠(NaCl)的混合液为阴极液,构建微生物燃料电池实验系统;以K_2Cr_2O_7或KClO_3为电解液,通过电解处理对阳极进行改性。结果表明,采用质量分数为6%的K_2Cr_2O_7溶液对阳极进行改性时,微生物燃料电池系统的产电性能和净水效果达到比较好的状态,其稳态输出电压约为8.5 mV,稳态电流密度为7.9 mA·m~(-2),对糖蜜废水的化学需氧量(COD)去除率约为35.2%。K_2Cr_2O_7或KClO_3改性碳布作为阳极的微生物燃料电池的发电性能和水处理效果均有明显改善。     

CeO2-β-CD改性阳极微生物燃料电池处理抗生素废水的性能研究

为了提高微生物燃料电池的性能，提出采用纳米级氧化铈(CeO₂)和β-环糊精(β-CD)进行阳极改性的方法。采用溶液浸泡法制备CeO₂-β-CD改性碳毡阳极，以制药废水为阳极液，以驯化污泥为微生物菌种，对比分析3种不同阳极对双室微生物燃料电池性能的影响。结果表明，采用CeO₂-β-CD改性阳极的微生物燃料电池的稳态电流密度、最大功率密度、150 h的发电能量及对制药废水的化学需氧量(COD)去除率分别约为0.22 A·m^-2、0.073 W·m^-2、86.26 J和68%，较采用未改性碳毡阳极的微生物燃料电池分别提高了266.7%、114%、522.4%和94%。CeO₂-β-CD改性阳极显著提高了微生物燃料电池的产电能力和废水处理效果。     

导电聚合物修饰微生物燃料电池阳极的研究进展

阳极作为微生物燃料电池的重要组成部分,其性能直接影响微生物燃料电池的产电效率。主要综述了聚苯胺、聚吡咯等导电聚合物及其复合物修饰微生物燃料电池阳极材料的最新研究进展,对修饰材料的特点与性能进行了分析,最后对导电聚合物修饰微生物燃料电池阳极进行了展望。     

微生物燃料电池阳极改性修饰最新研究进展

阳极是影响微生物燃料电池性能的重要因素之一,开发简易、高效的阳极改性修饰方法对微生物燃料电池的实际应用具有关键作用。对目前微生物燃料电池阳极改性修饰的最新进展展开综述,总结了分析阳极材料的方法,并对阳极修饰方法未来发展趋势进行了展望。     

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。     

多壁碳纳米管为阴极材料的单室过氧化氢燃料电池

以多壁碳纳米管负载在碳纸上作为阴极材料,镍网作为阳极材料,在酸性电解质中,构成了一个单室过氧化氢燃料电池。该过氧化氢燃料电池的最大功率密度为4080mW/m2,高于仅以碳纸作为阴极材料(28mW/m2)的电池。结果表明,该单室过氧化氢燃料电池有潜力发展成为便携式和小型化的应用电源。     

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。     

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%。     

微生物燃料电池阳极材料的研究概况

综述了不同种类阳极材料(碳基材料、金属基材料、改性材料、天然材料和新型材料)在微生物燃料电池中的研究进展,对阳极材料在微生物燃料电池中作用机理进行了总结。探究了不同阳极材料所产生的输出功率、功率密度、电压、电流密度以及对污染物的降解效果,分析了提升产能的原因。对微生物燃料电池阳极材料的不足之处进行了阐述,对其未来发展提出了展望。     

生物质碳材料在微生物燃料电池阳极中的应用

本文以一次性筷子为原材料,通过简单的活化工艺和煅烧工艺制备了多孔碳材料(PCs)。本文采用场发射扫描电子显微镜观察到了所制备的材料的形貌,证明成功制备了多孔碳材料。将一次性筷子多孔碳材料置于微生物燃料电池阳极中,多孔碳(PC-800)产生的最大电流密度约为1. 6 m A/cm2,远远高于传统的商用碳布(CC)。本文介绍了一种利用成本、效益高、可持续发展的天然材料制备高性能MFCs阳极材料的可行策略。     

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。     

微生物燃料电池阴极碳载体催化剂的研究进展

重点总结了近年来活性炭、碳纳米管、石墨烯作为微生物燃料电池阴极催化剂的研究进展,并分析讨论了其存在的局限和发展方向,同时对其他形式的碳载体催化剂的研究成果进行了简单介绍。     

二硫化钼纳米片用于修饰微生物燃料电池阳极的研究

利用简单的一步水热法制备了MoS2纳米片并用于修饰不锈钢纤维毡阳极(MoS2-SSFF),与未修饰不锈钢纤维毡阳极(SSFF)和多壁碳纳米管修饰阳极(CNT-SSFF)进行了对比研究。装配MFC运行的测试结果表明,MoS2-SSFF/MFC的功率密度为714 m W/m2,略高于CNT-SSFF/MFC的功率密度693 m W/m2,远高于未修饰SSFF/MFC的功率密度197 m W/m2。利用扫描电子显微镜(SEM)观察到MoS2纳米片呈簇状附着于MoS2-SSFF电极表面,显著增加了电极的比表面积。MoS2纳米片修饰改善了SSFF阳极的生物相容性,修饰电极在循环伏安测试(CV)中表现出良好的氧化还原性能。水热法制备的MoS2纳米片用于修饰阳极是一种高效、经济、简单的阳极修饰方法。     

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。     

石墨烯类材料修饰尿液微生物燃料电池阳极的研究

尿液微生物燃料电池（urine-powered microbial fuel cell,UMFC）能够将尿液中有机物的化学能转化为电能,阳极是影响其产能的关键因素。黑磷（BP）、膨胀石墨（EG）和羧基化石墨烯（COOH-GN）是三种典型的石墨烯类新型材料,分别用这三种材料对阳极碳布进行修饰处理得到了三种电极（BP/CC、EG/CC和COOH-GN/CC）。修饰后的电极表面明显变粗糙,且碳布阳极阻抗均有一定程度的减小。分别以BP/CC、EG/CC和COOH-GN/CC三种电极为阳极运行UMFC,获得的最大电压分别为587.71,512.46和492.49 mV,最大功率密度分别为5254.43,3925.44和3252.05 mW/m³,BP/CC阳极UMFC的性能最好。     

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.     

三维石墨毡阳极自呼吸微流体燃料电池性能数值模拟

针对采用三维石墨毡可渗透阳极的空气自呼吸无膜微流体燃料电池,建立了三维等温稳态数学模型,对电池中燃料及电解液的流动和传输、电极过程动力学及电荷传递过程进行了模拟,计算获得了具有石墨毡阳极的微流体燃料电池内的传质和燃料渗透特性,研究了石墨毡厚度及反应物(燃料和电解液)流量对电池性能的影响。结果表明:当入口流量为333μl·min-1时,采用石墨毡可渗透阳极相比碳纸和碳布可渗透阳极,极限电流密度和极限功率密度分别提升12%和50%;电池电压为0.8V时燃料渗透引起的寄生电流密度仅占电流密度的0.86%。电池性能随着石墨毡电极厚度增加而升高,但增幅逐渐减小;反应物流量增大,电池的性能先增加后逐渐趋于稳定。     

葡萄糖氧化酶在修饰碳纳米管上的电化学

将葡萄糖氧化酶(GOx)分别固定在多壁碳纳米管(MWNT)、氨基化碳纳米管(AMWNTs)和羧基化碳纳米管(MWNTs-COOH)修饰的电极表面,电化学测量表明固定在羧基和氨基碳纳米管上的GOx式量电位基本没变,而峰电流得到了很大提高。尤其是氨基化碳纳米管上的GOx的峰电流是未功能化碳管上GOx的4倍多。进一步研究Nafion/GOx-AMWNTs/GC电极的电化学行为,发现固定在AMWNTs上的GOx可进行直接准可逆的氧化还原反应,而且固定在AMWNTs上的GOx有良好的稳定性。氨基改性碳纳米管电极载体材料有望显著提高GOx生物燃料电池性能。