基于纳米材料的微生物燃料电池阳极自介导电子传递机理研究

摘要

微生物燃料电池是利用微生物作为催化剂，从有机底物中将化学能转化为电能的装置。由于其能够利用有机废弃物来产电，并具有高能量转化效率，操作条件温和，成本低廉，排放物无污染等优点，已经成为最具有发展前景的绿色新能源之一。然而，由于阳极过电位较高使微生物燃料电池输出功率一直处于较低水平，要解决这一瓶颈问题的关键是提高阳极微生物与电极之间的电子传递效率。本文首先以希瓦氏菌为研究对象，通过合成具有三维多层次孔结构的纳米材料增加黄素分子在电极表面的反应活性面积从而提高电池性能。本研究主要内容包括：
　　⑴利用水热反应法和冷冻干燥法，以硫酸亚铁铵为铁源和氮源合成的铁/氮掺杂的还原石墨烯气凝胶不仅具有较高的比表面积，而且包含有10-20μm孔径的三维多孔结构和10nm以下的介孔结构。而且当反应前驱体中氧化石墨烯与硫酸亚铁铵的质量比为10∶1左右时得到的还原石墨烯气凝胶具有最大的比表面积和最好的三维网状多孔结构。将这种材料应用于电化学反应时可以为发生氧化还原反应的反应物提供更多的反应位点。同时电催化行为分析结果表明物理结构最佳的材料在阳极半电池中的CV峰电流最大而且阻抗最小。将该比例的材料作为希瓦氏菌微生物燃料电池的阳极时，显著提高了电池的放电功率密度与电流密度。
　　⑵以希瓦氏菌为模式生物进行的黄素分泌行为微电极实时监测实验结果显示，由于阳极室内细菌所分泌的黄素浓度较低，玻碳电极、碳布电极均无法进行实时监测，而碳纳米管粉末微电极则有较明显的电化学响应。微电极上黄素分子的氧化还原电位与文献报道一致，而在放电过程中的实时监测数据显示，黄素分子的浓度会随着放电启动过程增加，当放电电流密度达到稳定时，黄素分子的浓度也达到峰值。有趣的是黄素分子浓度达到峰值后会下降，而此时放电电流仍稳定在平台水平。通过分析比较在离阳极较远处和阳极附近的黄素分子浓度水平发现，远离阳极的黄素浓度高于阳极附近的黄素浓度，这一现象有可能是由于阳极对黄素分子有较强吸附造成的。
　　⑶在大肠杆菌微生物燃料电池阳极进行的微电极实时监测结果显示，大肠杆菌的电活性物质氧化还原峰电位与黄素分子相同，均出现在-0.45 V(vs.SCE)，揭示其电活性物质与黄素分子可能具有类似分子结构。绿脓杆菌微生物燃料电池的分析结果表明，其电活性物质的氧化还原峰也出现在相同位置，而不是绿脓菌素的氧化还原电位附近，这表明，绿脓杆菌的代谢产物中还可能有其他物质参与胞外电子传递过程。以上分析结果表明，粉末微电极是一种方便有效的实时监测手段，有助于了解电池放电过程中阳极室细菌自分泌介体行为模式，从而为深入解析阳极细菌自介导胞外电子传递机制提供证据。
　　⑷在微生物燃料电池研究中我们合成了兼具有介孔和大孔结构的铁/氮掺杂的石墨烯阳极材料同时发展了利用微电极来检测电池阳极电解液中电子介体这种高效的电化学检测平台。本研究工作为进一步提高微生物燃料电池的性能以及研究细菌的直接电化学提供了方法和理论依据。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 背景介绍

1．2 问题与挑战

1．3 研究内容

2．文献综述

2．1 微生物燃料电池概述

2．1．1 微生物燃料电池的原理

2．1．2 微生物燃料电池的发展历史

2．2 阳极电催化

2．2．1 阳极材料的发展

2．2．2 生物催化剂的发展

2．2．3 在无介体MFC中的直接电化学

2．3 MFC发展前景

3．表面铁／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶提升微生物燃料电池阳极性能的研究

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 材料和设备

3．2．2 氧化石墨烯的制备

3．2．3 铁氮掺杂石墨烯的制备

3．2．4 材料物理性质表征

3．2．5 电极制备与电池组装

3．2．6 电化学分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 表面形貌表征及孔结构分析

3．3．2 电化学行为分析

3．3．3 表面成分分析与亲水性表征

3．3．4 电池测试与电极表面细菌形貌观察

3．4 结论

4．基于粉末微电极的希瓦氏菌胞外电子传递机理研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 试剂和材料

4．2．2 仪器

4．2．3 实验所需配制的试剂以及配制方法

4．2．4 细菌的培养

4．2．5 微生物燃料电池的构建

4．2．6 粉末微电极的制备及性能测试

4．2．7 粉末微电极在电子介体中的电化学性能的测试

4．2．8 粉末微电极在电池阳极中的电化学测试

4．2．9 利用荧光检测黄素单核苷酸的浓度变化

4．3 结果与讨论

4．3．1 粉末微电极的电化学表征

4．3．2 粉末微电极对希瓦氏菌MFC阳极的电化学分析

4．3．3 荧光检测黄素单核苷酸的实验结果

4．3．4 电池的放电电压与电子介体的关系研究

4．4 结论

5．绿脓杆菌与大肠杆菌胞外电子传递机理初步研究

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 试剂和材料

5．2．2 仪器

5．2．3 实验所需配制试剂

5．2．4 电池构建及运行

5．2．5 电池的电化学测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 粉末微电极对绿脓杆菌MFC阳极的电化学分析

5．3．2 粉末微电极对大肠杆菌MFC阳极的电化学分析

5．4 结论

6．结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间完成的论文