硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展

硫酸盐还原菌制成燃 料电池的研究进展

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微生物燃料电池发展简史微生物燃料电池是一种利用微生物 作为催化剂，将燃料中的化学能直 接转化为电能的生物反应器，它是 在生物燃料电池的基础上，伴随着 微生物、电化学及材料等学科的发 展而发展起来的。

硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展

基本原理微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作 为催化剂，降解有机物(葡萄糖，乳酸盐， 醋酸盐等)产生电子和质子。电子传递到 阳极，经外电路到达阴极，由此产生外电 流；质子通过分隔材料(质子交换膜PEM 或盐桥)或直接通过电解液到达阴极，在 阴极与电子、氧化物(铁氰化钾、氧气等) 发生还原反应，从而完成电池内部电荷的 传递。图1.1 是典型的双室MFCs(由PEM 分隔)及其工作原理示意图。

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硫酸盐还原菌制成燃料电池

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单室空气阴极MFC 的构造及运行本实验设计的ACMFC 为一定制的长方体有机玻璃容器， 如图2.1 所示，有效部分尺寸为5 cm(径)×5cm(直 径)×(π/4)×3 cm(宽)。一侧密闭另一侧开孔，孔尺寸 3cm(径)×3cm(径)×(π/4)。阳极采用普通碳布(比较阳 极时改用特定阳极材料),阴极采用载铂碳纸(载铂 0.35mg/cm2,购于大连化物所)(比较阴极催化剂时改 用特定阴极材料)。用螺丝将阳极夹入密封侧；阴极夹 入开孔侧，确保催化剂一侧朝向电解液；用导线引出。 阳极有效面积为20 cm2,阴极有效面积7 cm2。为防止 渗水，电极周围用703 胶(江苏省)密封。

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图2.1 单室空气阴极微生物燃料电池装 置(从左到右为：阳极、阴极、侧面)

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对搭建好的电池进行紫外灭菌，再用 无菌生理盐水冲洗。随后加入培养至 稳定生长期的SRB 菌液，排尽空气， 加塞密封。外电路接1 k 定值电阻， 监测外电路电压随时间变化规律。随 后以灭菌过的培养基作为模拟废水启 动电池，跟踪放电电压随时间的变化。 电池运行在30℃ 空调室内进行。

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双室MFC 中碳布刷电极的构造双室MFC 中阳极和阴极采用同样设计。制作 参照文献27,但有所不同。文献中阳极是将 碳纤维在Ti 丝上绞成刷子。本实验直接将厚 碳布折叠后用Ti 丝夹紧，再将碳布外侧按一 定间距剪开，成型后如图2.2 所示。该电极与 文献27 中电极相比，具有更大的比表面积， 更利于细菌吸附。为缩短电池启动时间，在 构建电池前，将紫外灭菌过的电极在相应菌 液中浸泡一周。

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图2.2 厚碳布刷电极

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双室MFC 的构造及运行本实验设计的双室微生物燃料电池为一长方体 有机玻璃容器，如图4 所示，有效部分尺寸为5 cm(直径)×5cm(径)×(π/4)×5 cm(宽)×2。长方 体左边为阳极室，右边为阴极室，中间以质子 交换膜(Nafion117,Dupont) 隔开。电池两侧

及 中间质子交换膜由螺丝固定。为防止渗水，电 池夹板处和质子交换膜周围都以703 胶密封。见 图2.3。

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图2.3 双微生物燃料电池装置

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电池搭建好后，在阳极室中加入培养 至稳定生长期的SRB 菌液，在阴极室 中加入培养至稳定生长期的TD 菌液， 排尽空气，加塞密封。先监测开路电 位随时间变化规律。后在外电路接1 k 定值电阻，观察外电路输出电压。 电池运行在30℃ 空调室内进行。

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阳极及阴极材料制备及运行条件1 阳极材料聚苯胺/二氧化钛的制备 2 以FePc 为催化剂的阴极材料的制备 3 以MnO2 为催化剂的阴极材料的制备 4 比较阳极材料的运行条件 5 比较不同催化剂阴极材料的运行条件

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1 阳极材料聚苯胺/二氧化钛的制备1.以溶胶凝胶法制备纳米二氧化钛：配制 0.2mol·L-1 的(NH4) 2TiF6 溶液100ml和0.6 mol·L-1 的H3BO3 溶液100ml,等体积混合后于 磁力搅拌器上充分搅拌，搅拌过程中加入少量 锐钛矿型TiO2 粉体作为结晶诱导体，继续搅 拌30min。用盐酸和氨水调节反应溶液至pH=2。 35℃ 恒温沉积6h 后过滤洗涤，60℃ 下干燥 12h。即得到二氧化钛粉末。

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2 .在二氧化钛表面合成聚苯胺：先配制0.1mol·L-1 的HClO4 溶液500ml,得溶液A;以溶液A 为溶剂 配制0.2mol·L-1 的过硫酸铵溶液100ml,得溶液B; 同样以溶液A 为溶剂配制0.1mol·L-1 的ANI 溶液 100ml,得溶液C,在溶液C 中加入1.24g TiO2。将 溶液B 滴加至溶液C 中，滴完后继续搅拌200min, 全程冰水浴。后过滤洗涤，60℃ 下干燥24h。即 得到聚苯胺/二氧化钛复合体。

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3.电极制作：将聚苯胺/二氧化钛(粉 末)和聚四氟乙烯乳液(60 wt.%, Teflon) 按质量比3:1 混合，以异丙醇调 匀。将该糊状混合物在压片机上压成 膜；后将两片膜夹集流材料镍网在 10Mpa 压力下压成电极。

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2 以FePc 为催化剂的阴极材料的制备1. 称取1.5g FePc (sigma),用98% 浓硫酸溶解；加入3g 石墨 粉，搅拌均匀后，倒入冷水中。 2 将所得溶液磁力搅拌20h 后，抽滤，用蒸馏水洗涤至中性。 随后60℃ 下干燥24h。 3 将所得粉末研磨后，在氩气保护下800℃ 高温处理2h。氩 气中冷至室温。 4 将所得催化剂混合物与PTFE 按4:1 混合，加异丙醇分散。 超声30min。 5 最后将所得混合物涂至防水碳布(090,Toray) 上。350℃ 热处理0.5h。得阴极。

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3 .以MnO2 为催化剂的阴极材料的制备 MnO2 阴极制备方法如下： 1 将市购MnO2 与石墨、PTFE 按65:20:15 混 合，同样以异丙醇分散。超声30min。 2 将所得混合物涂至防水碳布(090,Toray) 上。350℃ 热处理0.5h。得阴极。

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4 比较阳极材料的运行条件

为尽可能吸附更多细菌，所有阳极经紫外灭 菌后，入菌液中浸泡一周。随后取出作为阳 极构建单室空气阴极MFC

。选用FePc 为催化 剂的阴极，以稳定生长期的SRB 菌液为电解 液。观察开路电位随时间的变化。

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5 比较不同催化剂阴极材料的运行条件为减小阳极过程对电池产电效果的制约， 选用无菌碳布，即经紫外灭菌未浸泡菌 液的普通碳布作为阳极构建单室空气阴极 MFC。为减小阳极电子给体对电池产电的 影响，选用20mM 硫化钠溶液(磷酸缓冲 盐含量20mM)为电解液，而加入缓冲液 可以保障体系中足够的H+ 浓度。观察1 k 定值电阻两端外电压随时间的变化。