高性能SMFC阳极材料杂化石墨烯纸的制备与应用研究

This project focuses on the low output power problem of sediment microbial fuel cell (SMFC), targets at improving their electricity production performance and develops new novel high performance SMFC anode material-hybrid graphene paper. Specific studies include: (1) Fabrication of the Au，Cu，Co and Se nanoparticle hybrid graphene papers with different conductivity, surface area, roughness and electric charge; (2) Using hybrid graphene paper as anode to run SMFC, optimize their configurations, investigate the effect of hybrid graphene paper on the start-up time, electricity production performance, apparent internal resistance, removal rate of organics in Taihu lake sediment of SMFCs; (3) Reveal the universal law between the structures and electricity production activities of SMFC's anode biofilms and the properties of hybrid graphene papers such as their conductivity, surface area, roughness and electric charge. Results of this research can provide theory basis and technical support for the development and application of high performance MFC anode materials.

本申请针对沉积型微生物燃料电池(SMFC)输出功率较低的问题，以提高SMFC产电性能为研究目标，研制高性能的SMFC阳极材料-杂化石墨烯纸。具体研究包括：(1) 制备具有不同电导率，表面积，粗糙度和荷电性的Au，Cu，Co和Se纳米粒子杂化石墨烯纸；(2) 以杂化石墨烯纸为阳极，运行SMFC并进行构型优化，考察杂化石墨烯纸阳极对SMFC体系启动时间，产电性能，表观内阻以及底泥有机质去除率的影响；(3) 揭示杂化石墨烯纸导电性，表面积，粗糙度和荷电性对SMFC体系阳极生物膜结构和产电活性的影响规律。本项目研究结果可以为高性能MFC阳极材料的开发和应用提供理论依据和技术支撑。

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)是一种利用微生物作催化剂，将污水或污泥中有机物化学能转化为清洁电能的电化学装置，具有发电与废弃物处置的双重功效，有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术。然而，输出功率较低仍然是目前限制MFC实际应用的重要问题。在MFC体系中，微生物膜是电流输出的源泉，阳极作为产电微生物附着的载体，其导电性，表面积、粗糙度和荷电性对生物膜的结构，活性，电子的导出与传递影响显著，是决定体系产电性能高低的关键因素。因此，开发新型高性能的阳极材料，提高MFC的产电性能具有十分重要的意义。究其根本，高性能的MFC阳极材料要具有优异的导电性，较大的比表面积，一定的粗糙度和良好的生物相容性。因此，本研究通过改变制备方法得到了导电性、表面荷正电性和表面积不同的石墨烯阳极，运行MFC，研究这些电极性质的改变对体系产电性能和库伦效率的影响。首先，采用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对石墨烯进行吸附，将达到吸附饱和的石墨烯真空过滤到不锈钢网表面，形成表面荷正电且亲水性良好的石墨烯-CTAB阳极(G-CTAB)。运行MFC后发现，随着电极表面Zeta电位的升高，相应MFC体系的输出功率相应增大，最终MFC体系的最大功率密度增大了3.7倍。其次，通过真空过滤含有石墨烯的菌悬液的方法在不锈钢网表面形成掺杂有石墨烯的生物膜，避免了微生物的接种过程，提高了阳极生物膜的导电性和电子传递效率，最终MFC体系的最大功率密度增大了5倍。最后，向在石墨烯与聚合物粘结剂浆状混合物中添加制孔剂NH4HCO3，将该浆状物刷涂在碳布表面后于80 oC下进行加热，NH4HCO3分解后形成孔隙结构，增大电极的表面积。运行MFC后发现，表面积较大的多孔石墨烯阳极MFC体系的最大功率密度增大了2倍。本项目的研究结果可以为高性能阳极的开发提供更多的研究思路。