基于层层自组装技术的微生物燃料电池电极材料的研究

摘要

微生物燃料电池是一类通过微生物的代谢活动将底物（生物质）中蕴藏的化学能转化成电能的装置，通常其底物为生活污水或江河沉积淤泥，其在降解污水中有机物的同时产生了电能。如今能源和环境问题己成为全球广泛关注和亟待解决的问题，微生物燃料电池构造简单、成本低廉、使用广泛，正越来越多地引起全球科学家，特别是环境和能源领域专家的关注；但是它的输出功率相对风能、潮汐能、太阳能等清洁能源还是很低，如何提高其输出效率成为研究微生物燃料电池的首要问题。
　　 影响微生物燃料电池输出效率的因素主要有：微生物的种类和生物活性、装置的构造、底物和电解质、运行环境（如温度、pH）等。这个系统通常是在常温常压下，处理的往往是生活污水，菌种或者茵群都是特定的，我们多数通过改进装置的构造来提升电池的输出效率。从阳极入手是个很好的选择，因为细菌直接或间接地与阳极相互作用并发生电子转移。阳极材料及其表面结构直接影响了细菌的吸附或接触的水平、底物的氧化情况、电子转移的效率等，从而影响了微生物燃料电池的输出功率。
　　 本文利用层层自组装技术及电化学聚合等技术，对阳极进行修饰，寻求提高电池效率的有效途径。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；研究了铁氧化物对该希瓦氏菌产电特性的影响，由于希瓦氏菌对不同铁氧化物的还原能力不同，电池在加入不同铁氧化物纳米粒子后呈现不同的输出特性。
　　 2．利用层层自组装技术，在ITO电极表面修饰聚电解质PAH（聚烯丙基胺的盐酸盐）/PSS（聚苯乙烯磺酸钠盐）中空纤维，增大了电极的比表面积。修饰后的电极因导电性受限，并不能明显改善电池的输出效率。同时，研究了用含有Fe2O3纳米粒子的PAH/Fe2O3中空纤维修饰的ITO电极作为微生物燃料电池的阳极时电池的输出效率。比对实验表明Fe2O3能够有效地促进希瓦氏菌电子传递效率.
　　 3．基于层层自组装技术，在ITO电极表面修饰了PAH/CNT（碳纳米管）以及PANi（聚苯胺）/CNT多层膜。研究了电池的输出电流与修饰层数之间的关系，比较了不同聚阳离子修饰电极表面时电池的输出效率。
　　 4．通过电化学聚合，用导电聚合物聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)对ITO及石墨毡电极表面进行了修饰。研究了PEDOT对微生物燃料电池输出效率的影响。