微生物燃料電池中新型陽極微生物固定方法研究

邢達(dá)杰+周蓉+李卓儒

摘 要：利用苯胺/聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電水凝膠包埋大腸桿菌作為陽極構(gòu)建微生物燃料電池。此電池的最高功率密度超過400mW·m-2，而電池內(nèi)阻則降低到大約151Ω。這證明新的陽極微生物固定方法能夠促進(jìn)微生物燃料電池性能的提高。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池；導(dǎo)電水凝膠；包埋；內(nèi)阻；功率密度

中圖分類號：Q93 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0067-02

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell， MFC）是一種可以通過微生物的催化作用直接將水中污染物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置[1]。因此，MFC被看做一種能在處理水中污染的同時產(chǎn)生電能的環(huán)境友好的新能源裝置。但由于MFC輸出功率的局限尚沒有得到廣泛的實際應(yīng)用。目前在該領(lǐng)域的研究大多集中于提高M(jìn)FC性能，其中陽極的材料和結(jié)構(gòu)改進(jìn)成為熱點之一[2]。

導(dǎo)電聚合物材料因為良好的性能在MFCs陽極改進(jìn)研究中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果[3]。2012年，Pan等合成出了一種電導(dǎo)率達(dá)到0.6S·cm-1的聚苯胺水凝膠[4]。本文中利用聚乙烯醇與這種聚苯胺水凝膠混合形成一種復(fù)合導(dǎo)電水凝膠，并利用該種復(fù)合導(dǎo)電水凝膠包埋大腸桿菌制備了一種結(jié)構(gòu)新穎的MFC陽極，在提高M(jìn)FC功率及降低內(nèi)阻方面取得了較好效果。

1 材料與方法

1.1 微生物電極制備

在2.0mL4%的聚乙烯醇溶液中加入0.46mL苯胺和0.92 mL50%的植酸配置成溶液A。稱取0.25g過硫酸銨溶解于0.5mL去離子水中制得溶液B。在溶液A中加入20mg大腸桿菌后，將A、B兩種溶液冷卻至4℃后混合，至于-10℃下2h，凝固于4℃下融化，反復(fù)三次形成包埋有大腸桿菌的綠色導(dǎo)電水凝膠，即構(gòu)成微生物電極。

1.2 MFC電池的組裝及內(nèi)阻測試

使用上述微生物電極作陽極，碳紙作為陰極構(gòu)建雙室MFC電池。在LB培養(yǎng)基中加入2g·L-1葡萄糖和80μmol·L-1NR作為陽極室溶液。用pH值為7.0的0.1mol/L磷酸緩沖溶液作溶劑配制成0.1mol·L-1鐵氰化鉀溶液作為陰極室溶液。

電池外接1000Ω電阻作為負(fù)載，待運(yùn)行穩(wěn)定后，利用穩(wěn)態(tài)法測量MFC電池在不同外阻下放電時的外電阻電壓，通過公式I=U/R及P=U2/R計算得到電池在不同阻值下的電流及功率，并對功率和電流作圖得到功率曲線。

1.3 微生物電極的電鏡觀察

從運(yùn)行穩(wěn)定后的陽極表面切取樣品，浸入2.5%的戊二醛溶液中2h，對電極中的大腸桿菌進(jìn)行固定化處理，然后依次在30%、50%、70%、80%、90%及無水乙醇中各浸泡30min進(jìn)行脫水，再經(jīng)過凍干處理后進(jìn)行掃面電鏡觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物燃料電池性能

微生物燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定后，電池的開路電壓穩(wěn)定在0.6V左右。對穩(wěn)定后的MFC進(jìn)行穩(wěn)態(tài)放電試驗來測得該MFC準(zhǔn)確的內(nèi)阻值，通過計算得到相應(yīng)的電流密度及功率密度，作圖得到極化曲線而功率曲線[5]，見圖1。

圖中極化曲線可分成了活化極化區(qū)、輸歐姆極化區(qū)和濃差極化區(qū)。對歐姆極化區(qū)內(nèi)極化曲線進(jìn)行擬合，計算出MFC內(nèi)阻為151Ω，與最高功率密度下所對應(yīng)的內(nèi)阻值接近，表明此數(shù)值基本可以反映MFC電池內(nèi)阻[6]。與文獻(xiàn)報道中以碳材料作為陽極的MFC內(nèi)阻進(jìn)行比較，采用導(dǎo)電水凝膠包埋大腸桿菌做陽極的MFC內(nèi)阻處于較低水平。

MFC內(nèi)阻主要由活化內(nèi)阻、歐姆內(nèi)阻和傳質(zhì)內(nèi)阻構(gòu)成。活化內(nèi)阻主要由微生物向電極表面?zhèn)鬟f電子受到的阻力引起 [7]。復(fù)合導(dǎo)電水凝膠包埋產(chǎn)電微生物增加了微生物與電極接觸面積可有效降低活化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻主由質(zhì)子向陰極擴(kuò)散所受阻力引起。導(dǎo)電水凝膠包埋產(chǎn)電微生物形成了三維電極結(jié)構(gòu)，有利于質(zhì)子擴(kuò)散從而降低歐姆內(nèi)阻。傳質(zhì)內(nèi)阻主要是在產(chǎn)電微生物與溶液間的物質(zhì)傳遞過程中產(chǎn)生，包埋操作使產(chǎn)大腸桿菌分散在導(dǎo)電水凝膠中，使之不能形成緊密的菌膜，這有利于底物葡萄糖和微生物代謝產(chǎn)物的擴(kuò)散，這也有利于傳質(zhì)內(nèi)阻的降低。

復(fù)合導(dǎo)電水凝膠包埋大腸桿菌構(gòu)建的MFC的最高功率密度達(dá)到400mW·m-2，處于相對較高的水平。這是由于導(dǎo)電水凝膠包埋大腸桿菌可以在MFC陽極上富集更多的產(chǎn)電微生物。導(dǎo)電水凝膠包埋方式富集產(chǎn)電微生物，電極材料內(nèi)部及表面都可以有微生物分布（圖2）。這就增加了產(chǎn)電微生物在電極上富集的數(shù)量，對MFC輸出功率的提升極為有利。

3 結(jié)束語

使用復(fù)合導(dǎo)電水凝膠膠包埋大腸桿菌制備而成的MFC陽極，由于導(dǎo)電水凝膠包埋大腸桿菌方法可在增加陽極微生物負(fù)載數(shù)量同時改善微生物的分布狀態(tài)，使MFC獲得較高的功率輸出和較低的內(nèi)阻，展現(xiàn)了導(dǎo)電水凝膠包埋產(chǎn)電微生物構(gòu)建MFC陽極這種方法的潛在優(yōu)勢。導(dǎo)電水凝膠包埋產(chǎn)電微生物的方式所構(gòu)建的新型陽極在MFC的性能改善方面將發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]Li S， Cheng C， Thomas A. Carbon-Based Microbial-Fuel-Cell Electrodes： From Conductive Supports to Active Catalysts. Adv. Mater，2016：1602547.

[3]Ghasemi M.， Wan R W D， Hassan S H A， et al. Nano-structured carbon as electrode material in microbial fuel cells： A comprehensive review. J. Alloys. Compd. 2013，580（32）：245-255.

[4]Pan L， Yu G， Zhai D， et al. Hierarchical nanostructured conducting polymer hydrogel with high electrochemical activity[J].PNAS，2012，109（94）：9287-9292.

[5]梁鵬，范明志，曹效鑫，等.微生物燃料電池表觀內(nèi)阻的構(gòu)成和測量[J].環(huán)境科學(xué)，2007，28（8）：1894-1898.

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[7]陳妹瓊，程發(fā)良，郭文顯，等.微生物燃料電池陽極材料的最新研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2015（4）：857-860.endprint