氮掺杂多孔碳材料阳极制备及其在微生物燃料电池上的应用

微生物燃料电池(MFCs)作为一种可以替代传统能源的生物电化学系统引起研究者的极大兴趣,其阳极材料的构造是目前的研究热点.本文从改善阳极材料表面物理化学性质的角度出发,用吐司作为多孔碳前驱体,三聚氰胺为氮源,直接烧制氮掺杂三维碳材料,并与不添加氮源的阳极材料和未改性的商用碳布进行比较.制备的掺氮NB1000阳极具有较大的比表面积(216.664 m^(2)·g^(-1))和优良的电导率.利用Geobacter和Shewanella混合菌落在微生物燃料电池(MFCs)中进行培养和性能评价,NB1000阳极的微生物燃料电池最大面功率密度为3049.714 mW·m^(-2),电流密度为7.4464 A·m^(-2),分别是普通碳布阳极的6.54倍和1.54倍.结果表明,NB1000作阳极的MFCs具有较高的功率密度,主要归因于阳极中引入氮掺杂,促进了产电微生物胞外电子传递过程所需的外膜c型细胞色素OmcA和MtrC的分泌.

氮掺杂糠醛碳点促进微生物燃料电池产电的特性研究

选用糠醛、尿素作为碳源和氮源,通过简单的一步水热合成法制备高电子传递氮掺杂糠醛基碳点(N-FCDs),并将N-FCDs与养殖场常见牛粪中的微生物结合,构筑微生物燃料电池(MFC)的生物阳极,强化其产电性能。借助透射电子显微镜、拉曼光谱、红外光谱等测试手段对N-FCDs的形貌、结构和组成进行表征分析,并探讨了MFC的产电性能及其产电机制。研究结果表明:N-FCDs呈现准球体形貌,其平均粒径约为(4.7±0.02)nm;N-FCDs表面氮掺杂形式为石墨N、吡咯N和吡啶N,不同质量浓度(0~500 mg/L)的N-FCDs与微生物共同孵育后,微生物生长曲线无显著差异,表现出良好的生物安全性;N-FCDs较高的石墨化程度及其富电子单原子掺杂赋予其高电子传递特性。加入N-FCDs后,细菌细胞内外均有N-FCDs分布,构筑细菌内外电子传递通道,加速相应电子传递速率,增加了细菌内部电子传递通道,显著增强细菌氧化还原活性,降低微生物整体电子传递阻抗。N-FCDs能够显著提升微生物燃料电池产电性能,最大输出电流为2.34μA、最大输出电压为0.16 V,相比无碳点空白组分别提升了4.9和1.0倍。

常见电子介体对大肠杆菌微生物燃料电池产电性能的影响

采用平板涂布研究电子介体中性红、亚甲基蓝和甲基紫精对大肠杆菌BL21(DE3)细胞生长的抑制情况。通过微生物燃料电池技术(MFC)研究同一浓度下上述电子介体对大肠杆菌BL21(DE3)产电性能的影响。结果表明:甲基紫精对大肠杆菌BL21(DE3)的生长抑制最强,中性红对大肠杆菌BL21(DE3)的生长抑制作用较弱;添加亚甲基蓝对于大肠杆菌BL21(DE3)MFC产电性能的提高显著;添加0.06g/L亚甲基蓝对大肠杆菌BL21(DE3)MFC产电性能的加强效果最好。

微生物燃料电池阳极制备和测试

设计了一个由科研成果转化而来的本科综合实验。该实验用聚多巴胺包覆Ti_(3)C_(2)T_(x)纳米片提高其水氧稳定性和生物相容性,表征其显微形貌、组成和电化学性质。利用自来水厂污泥接种混合微生物,测试电池的输出电压、功率密度、化学需氧量和生物活性等。使用裸露碳布作为对照组,通过比较分析数据,探索阳极的设计规律,鼓励学生在实验中使用自制电池处理生活污水和工业污水。采取交叉互评方式,对学生实验成绩进行评定,激发学生的科研兴趣,培养学生的批判精神和解决实际问题的能力。

无介体微生物燃料电池的研究进展

微生物燃料电池的出现使得降解有机污染物的同时收获电能成为可能,因而受到广泛关注。从产电微生物和电池结构两部分介绍了无介体微生物燃料电池的研究进展,对产电微生物的研究主要从产电微生物的种类、影响微生物产电的因素以及产电机理等方面进行阐述;对微生物燃料电池结构的研究,主要从电池阳极及阳极室、阴极及阴极室、分隔材料、整体结构和运行方式等方面进行了阐述;从提高微生物燃料电池产电能力的角度出发,对微生物和电池结构提出了研究方向,并展望了产电微生物燃料电池的研究前景。

无介体微生物燃料电池研究进展

介绍微生物燃料电池特点,综述相关的研究进展。从深海沉积物中分离到微生物Rhodoferaxferrireducens、Geobactermetallireducens和Geobactersulfereducens在分解有机底物(海底沉积物、葡萄糖、废糖蜜)进行自身代谢过程中,易在固体表面吸附成膜,无需介体可直接将电子传递到电池的阳极。能量转换为电能的效率大于70%,电流密度为30mA/m2,电池输出功率密度达到3W/m2(0.2V)。

不同介体厌氧流化床微生物燃料电池产电特性研究

在空气阴极、单室、无膜液固厌氧流化床微生物燃料电池(AFBMFC)中,以污水和椰壳活性炭为液相和固相,分别以亚甲基蓝(MB)、中性红(NR)及铁氰化钾为电子介体,考察电子介体的种类和浓度对厌氧流化床微生物燃料电池产电性能的影响。实验结果表明,亚甲基蓝可以提高AFBMFC产电量,但增加幅度较小;添加铁氰化钾后,电池正负极逆转,且产电量减小,使用这两种介体产电性能均不理想。添加中性红后,MFC的内阻显著降低。以1.7 mmol·L-1中性红为电子介体时获得最大输出电压650 mV,最大输出功率密度330 mW·m-2,COD去除率为91%。对于厌氧流化床微生物燃料电池而言,中性红是一种较为理想的电子介体。

无介体微生物燃料电池型BOD传感器研究进展

总结了国内外各类生化需氧量(BOD)的检测方法,详细介绍了通过电化学活性微生物产电进行BOD检测的无介体微生物燃料电池型BOD传感器的结构与工作原理,以及电化学活性微生物实现电子转移的机理。与其他类型的BOD传感器相比,无介体微生物燃料电池型BOD传感器的主要优点包括稳定性强、响应时间短、重现性好、精确度高、转化率高和测量范围大等。此外,分析了影响无介体微生物燃料电池型BOD传感器稳定性、转化率、响应时间的主要因素,并指出降低燃料电池成本和采用各类实际水样考查传感器性能对于无介体微生物燃料电池型BOD传感器的研发和应用具有重要意义。

微生物燃料电池阴极电子受体与结构的研究进展

从工程应用的角度分析了微生物燃料电池的结构变化趋势;从电化学角度介绍了几种两室微生物燃料电池中阴极室采用不同电子受体对提高电池输出功率的影响和单室空气阴极微生物燃料电池的研究现状及应用前景;分析了电池组在电池放大过程中可能存在的串挠和电压反转等问题,为微生物燃料电池的工程应用提供了理论参考。

微生物燃料电池中产电微生物电子传递研究进展

微生物燃料电池集产电和污水净化为一体,作为一种新型的能源回收技术得到人们的广泛关注。从微生物燃料电池工作原理来看,电子能否顺利地传递到阳极表面对于电流的产生起着关键作用。因此,本文重点阐述了电子在产电微生物体内产生的途径、电子从微生物体内向阳极传递的不同方式以及阳极材料对产电微生物附着和电子传递的影响。从生物化学、电化学和材料学上对产电微生物体内的电子到阳极整个过程进行全面的综述。明确电子传递的关键环节,为新型高效阳极材料的开发提供思路。

电子受体对微生物燃料电池产电性能的影响

以厌氧污泥为接种菌源,醋酸钠为阳极基质,分别构建了铁氰化钾和过硫酸铵为电子受体的双室微生物燃料电池(MFC),并研究了MFC在不同电子受体下的产电性能。结果表明,以铁氰化钾和过硫酸铵为电子受体的MFC最大稳定输出电压均随着电子受体浓度的升高而增大。当铁氰化钾质量浓度大于2.0g/L时,MFC最大稳定输出电压增幅不大。两种MFC的内阻均随电子受体浓度的增大而降低。阴、阳极溶液体积相等,外阻为5 000Ω时,以10.0g/L过硫酸铵为电子受体,MFC最大开路电压和最大输出功率密度分别为1 029.0mV和385mW/m3;以10.0g/L铁氰化钾作为电子受体,MFC最大开路电压和最大输出功率密度分别为711.8mV和73mW/m3,均小于以过硫酸铵为电子受体的最大开路电压和最大输出功率密度。因此,过硫酸铵是一种理想的电子受体,能够提高MFC产电性能。

微生物燃料电池阳极室内电子受体竞争研究

采用不锈钢金属丝阳极构建了管状单室无质子交换膜空气阴极微生物燃料电池(MFC),并以葡萄糖为唯一电子供体,研究了该MFC的性能.分别以含葡萄糖、葡萄糖+硝酸钾、葡萄糖+硫酸钠、葡萄糖+氯化铁的培养液注入MFC,分析和检测MFC外接电阻上的电压与各底物的起止浓度.结果表明,MFC室内的电子受体氧化还原势越高,对固体电极接受和传输电子的影响越大,固体电极接受电子的能力介于NO3-和SO42-之间,接近Fe3+.

微生物燃料电池阴极电子受体研究进展

微生物燃料电池是一个阳极产生电子,阴极接受电子的电化学系统。阐述了微生物燃料电池各种电子受体在阴极的反应机理和研究现状,分析了目前微生物燃料电池研究存在的不足,并提出了未来的研究和发展方向。

电子供体配比条件对反硝化微生物燃料电池脱氮性能的影响研究

采用间歇式培养驯化的方式启动双室反硝化MFC的基础上,考察了是否加入碳源、不同外电阻的条件下对MFC反硝化的影响。研究结果表明,外电阻从1 000Ω降低为10Ω,反硝化MFC启动时间从约10个周期(30 d)增加为15个周期(约45 d),加入有机碳源进一步延长了启动时间;乙酸钠的加入ρ(COD)︰ρ(N)=2.5,大大提升了反硝化的速率,外电阻为10Ω时,72 h内平均去除速率从10.0 mg/(L·d)提升为18.6 mg/(L·d);不加碳源情况下(A组),随着外电阻的降低,反硝化去除速率增加,NO_2--N的最大积累量逐渐增加。实时荧光定量PCR结果表明,加入有机碳源的反应器narG,nir K和nosZ的绝对丰度(拷贝数/mg)以及相对丰度均明显增大,且随着外电阻减小,阴极生物膜反硝化细菌的富集更明显。

α-MoC在无介体微生物燃料电池阳极的应用研究

采用溶体法结合碳热还原法制备了碳化钼,用XRD表征了碳化钼的结构,用SEM观察了所制备碳化钼的形貌。使用循环伏安法和交流阻抗法测试了碳化钼的电催化性能。把制备的碳化钼用于无介体微生物燃料电池阳极,电池最大功率密度达到商业铂碳的92%,表现出优越的电催化性能和良好的生物相容性。因此α-MoC可望成为一种具有广泛应用前景的无介体微生物燃料电池阳极材料。

不同电子受体对牛粪微生物燃料电池性能的影响研究

以牛粪为主要底物,研究了以KMnO4、O2和KMnO4+O2作为阴极电子受体时,对微生物燃料电池产电性能的影响。实验结果表明,KMnO4+O2作为电子受体时微生物燃料电池的产电效果最好,其输出电压达到0.55 V,电流密度达到88 m A/m2,功率密度达到156 m W/m2。对COD去除率也最高,达86.95%。使用不同的电子受体时,阳极室pH变化规律基本相同,由6.3降至5.2左右,后又回升至6.8,而VFA含量先升高后降低,最终趋于稳定。风干后的阳极反应产物的有机质含量达到91.80%,总养分8.89%,含水率9.02%,达到了有机肥料的标准。

微生物燃料电池系统中氧化还原介体的研究

论述了微生物燃料电池电子传递过程中氧化还原介体的种类、特性,其包括外源性氧化还原介体(人造介体和天然存在介体)和内源性氧化还原介体(主要是指微生物自身产生的介体),并综述了氧化还原介体在不同微生物燃料点电池中的应用及其特性,为其在提高生物降价等方面提供了参考和研究方向。

哈尔滨工业大学微生物燃料电池研究团队

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)是一种环境友好型生物技术,利用电活性微生物消耗有机物并将代谢的电子传递至胞外阳极。MFCs运行无需额外曝气,具有很强的环境适应性,阳极室有机物降解速率快、矿化彻底,无需后续污泥处理流程,也可以同时处理阴极污染物,是一种具有重要应用前景的污水处理和同步产能技术。然而微生物-电极微观界面复杂,严重影响能量转化效率,导致现有MFCs阳极的输出功率仍然远低于其理论值。

微生物电化学技术原理及其在畜禽废弃物资源化领域的应用研究进展

畜禽养殖集约化生产过程中排放的废弃物会对当地生态环境造成巨大压力。通过硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)小分子酸代谢、奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)有氧无氧代谢、导电菌毛(electrically conductive pili)直接接触和电子穿梭物质介导的胞外电子传递等呼吸代谢的理论研究,明确了电活性模式微生物的中心碳代谢途径、胞外电子传递过程及主要调控机制。基于对电活性菌呼吸代谢过程的理解,已开发并优化了以微生物燃料电池、微生物电解池和电场辅助好氧堆肥为主的多种微生物电化学系统。在降低化学需氧量、温室气体排放、抗生素和耐药基因等有害物质含量的同时,提高发电效率、阴极高附加值产物和有机肥腐殖质含量。综述了微生物电化学理论的研究进展并系统介绍了微生物电化学技术在畜禽废弃物资源化方面的应用研究,以期为畜禽废弃物资源化利用工艺的多元化发展提供参考和理论支撑。

矩形微生物燃料电池阳极室传质模拟

以碳布为阳极材料、无添加电子介体微生物燃料电池的阳极室为模拟对象,建立了底物在阳极室和生物膜内传质过程以及生物膜内生化与电化学反应的控制方程,考察了阳极电势和进口底物流量对底物浓度分布、降解效率及电流密度的影响。计算结果表明,阳极电势对阳极室及生物膜内底物浓度的分布有着重要的影响。阳极电势越高,阳极室及生物膜内底物浓度越低,底物降解效率越高,产生的电流密度越大。进口底物流量越大,底物在反应器中水力停留时间越短,底物降解效率越低;随着进口底物流量的增加,单位时间内底物的传质通量增大,生物膜内底物的消耗速率增加,因此电流密度随之增大。