层层自组装技术在微生物燃料电池电极修饰方面的应用

摘要

目前，环境污染问题和能源危机日益严重，并威胁到人类的可持续发展。为了解决这一问题，人们正不懈地寻找新型可替代能源。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是利用微生物作为生物催化剂将碳水化合物转化为电能的装置，由于微生物拥有庞大的家族而备受关注。与传统电池相比，MFC以微生物代替昂贵的化学催化剂，具有更多优点:
　　 (1)底物广泛，可利用有机废水等废弃物;
　　 (2)反应条件温和，常温常压下即可运行;
　　 (3)因能量转化过程无燃烧步骤，故理论转化效率较高。
　　 而影响微生物燃料电池的影响因素有很多，主要有微生物的种类和生物活性、装置的构造、底物、电解质和运行环境（如温度、pH）等。由于阳极材料直接影响了细菌的生长、电子转移的效率、底物的氧化等，且电极材料大多为碳材料，所以对电极材料的改性或修饰则更为重要。
　　 结合本实验室的特点和微生物燃料电池的现状，本文利用层层自组装技术，用不同的材料对阳极进行修饰，以提高微生物燃料电池的产电效率。主要研究内容有:
　　 (1)对shewanella loihica生长特性进行研究，绘制生长曲线，并根据生长曲线来拟定细菌驯化培养时间及微生物燃料电池的工作时间。发现处于稳定期的细菌能产生最大的电流输出;
　　 (2)基于层层自组装技术，在导电玻璃(Indium Tin Oxide，ITO)表面修饰能提高电子转移效率的物质如α型三氧化二铁纳米粒子(α-Fe2O3)和石墨烯(Graphene)，作为阳极，研究在微生物燃料电池中的应用，以及电池的输出电流与修饰层数之间的关系及电池效率。发现修饰了α-Fe2O3和石墨烯的电极系统均能大幅度的提高MFC的产电效果，并且用石墨烯的修饰效果更好;
　　 (3)基于层层自组装技术，以碳酸钙为模板，用两种方法制备中空胶囊修饰阳极，并研究其在微生物燃料电池中的应用，以及电池的输出电流与修饰层数之间的关系。发现这两种方法制备的中空胶囊均能提高MFC的产电效果，且第二种制备方法的修饰效果更好;
　　 (4)基于自组装技术，在ITO导电玻璃表面修饰生物大分子，如细胞色素C和四苯基锌卟啉，作为阳极，研究其在微生物燃料电池中的作用和其他方面的应用;发现修饰了细胞色素C后，MFC的产电效率有所提高。同时也发现修饰了四苯基锌卟啉的MFC在氨气传感器方面应用的可能性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 基本结构和运行原理

1．3 微生物燃料电池的影响因素

1．3．1 反应器结构

1．3．2 质子交换膜

1．3．3 电子介体

1．3．4 阳极

1．4 总结

1．5 本课题研究内容

参考文献

第二章 产电菌shewanella loihica PV-4的生长特性

2．1 序言

2．2 实验原料和仪器

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器

2．3 单室三电极电化学装置

2．4 S．loihica生长特性曲线的研究

2．4．1 菌株的复苏及生长特性曲线测定

2．4．2 结果与讨论

2．5 不同生长期的细菌对输出电流的影响

2．5．1 实验步骤

2．5．2 结果与讨论

2．6 本章小结

参考文献

第三章 能提高电子转移效率的物质修饰阳极材料

3．1 序言

3．2 α-Fe2O3和壳聚糖修饰导电玻璃

3．2．1 实验原料和仪器

3．2．2 α-Fe2O3和CS纤维修饰ITO作为阳极

3．2．3 (α-Fe2O3/CS)n-ITO电极特性研究

3．2．4 结果与讨论

3．3 石墨烯和PAH修饰导电玻璃

3．3．1 实验原料和仪器

3．3．2 石墨烯和PAH修饰导电玻璃作为阳极

3．3．3 石墨烯和PAH修饰阳极产电性能的研究

3．3．4 结果与讨论

3．4 本章小结

参考文献

第四章 中空胶囊修饰阳极材料

4．1 绪论

4．2 实验原料和仪器

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验仪器

4．3 中空微胶囊修饰ITO作为阳极

4．3．1 ITO导电玻璃的清洗

4．3．2 α-Fe2O3的制备

4．3．3 层层自组装用于中空胶囊的制备并修饰到ITO上

4．3．4 电极电学性能测试

4．3．5 结果与讨论

4．4 本章小结

参考文献

第五章 生物大分子修饰微生物燃料电池阳极及在其他方面的应用

5．1 绪论

5．2 卟啉修饰阳极

5．2．1 实验原料和仪器

5．2．2 卟啉修饰ITO作为阳极

5．2．3 卟啉-ITO电极特性研究

5．2．4 结果与讨论

5．3 细胞色素C修饰阳极

5．3．1 实验原料和仪器

5．3．2 细胞色素C修饰ITO作为阳极

5．3．3 细胞色素C-ITO电极特性研究

5．3．4 结果与讨论

5．4 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

致谢

硕士期间论文