哈工大:石墨烯阳极提升微生物燃料电池性能

日期:2018-08-22 / 人气: / 编辑:jutan / 来源:未知

随着人口的增加和现代社会的发展,我们正在产生越来越多的垃圾和废水。传统的污水处理工艺是个高能耗、物耗和温室气体排放为代价,同时浪费了废水有机物中蕴含的化学能,因此发展在废水高效处理过程中回收可利用的资源与能源的新技术与新方法具有经济和生态双重效益。

微生物燃料电池(MFC)利用产电微生物催化降解有机物,将有机物蕴含的化学能转化为电能,具有清洁高效、原位利用和循环利用的优点,作为一种能够将废水再生为能源的技术受到了广泛的关注。然而,产电微生物催化降解有机物产业化的前提和难点问题是如何大幅度提高微生物催化降解有机物产电的效率。本质上,微生物催化降解有机物产电的效率主要受微生物胞外电子转移速率的制约,因此强化微生物的附着力及提高微生物胞外电子传递能力将有效提升微生物催化降解有机物产电的效率。

近期,哈尔滨工业大学刘绍琴课题组根据Geobacter产电微生物可以利用Fe3+和S作为电子传递通路的特性,通过简便的水热反应合成了二硫化铁/石墨烯复合物(FeS2/rGO)作为微生物燃料电池的阳极。该复合纳米结构不仅极大地改善了Geobacter产电微生物在电极表面的黏附能力,而且有利于Geobacter在群落中与其他细菌的竞争,实现了Geobacter产电微生物的选择性富集,从而将微生物燃料电池的启动周期从常规碳布电极的十几天降低到2天。

此外,FeS2纳米粒子的引入显著减小了电极的电荷转移阻抗,促进了微生物-电极界面之间的电子传递,获得了3.22 W/m2的面功率密度。将其用于啤酒厂废水的处理,也获得了较高的电压和功率密度以及良好的有机物去除率。 微生物燃料电池是一个十分复杂的体系,涉及细菌自身复杂的代谢和群体的互作、生物电极界面的相互作用、复杂的传质过程和电化学反应。

关于特定条件下MFC性能的研究相对比较充分,但上述的一些基本过程仍然需要被进一步的研究和更详细的阐述。我们相信,对于微生物自身代谢和种群间相互作用的进一步揭示以及细菌-电极之间微纳界面的进一步研究将有助于指导未来MFC阳极的设计和应用。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201800618)上。