微生物燃料电池内部传递机理与强化研究

Microbial fuel cells (MFCs) generate electricity by converting biomass or organic matter directly into electric energy using microorganisms, which are of extensive potential applications in wastewater treatment, biomass conversion, etc. The project aims to solve MFCs’ low power output density and poor dynamic properties by investigating their internal mass and other transport phenomena related fundamental problems. (1) Investigation of mass transfer processes within microbial films and that between microbial films and substrate solution and/or electronic mediator to establish kinetic and dynamic model for microbial film growth and in-microbial-film mass transport and enhancement theory describing the quantitative relation of the in-microbial film and the substrate solution mass transfer, reaction rate and electron transfer rate; (2) Establishment of unsteady-state, trans-scale, 3D physical mathematical models with the full consideration of bioprocess, electrochemistrical process, mass (substrate, oxygen, proton, ion and electron) transfer and their computational methods; (3) Research and exploration of three-dimensional, high-performance anodes and new anode and cathode modification methods reducing overpotentials. These problems are not only important for MFC application, but also for establishing momentum, energy and mass transport theory for multi-physics systems.

微生物燃料电池（MFC）是利用微生物将生物质转化为电能的装置，有着广泛的应用前景。针对MFC功率密度低、动力学性能差这一制约其应用的瓶颈问题，重点对MFC的内部传递现象展开研究：（1）研究微生物膜内部及其与溶液之间的质量传递过程，建立微生物膜动力学模型及产电微生物膜动力学、质量传输与强化理论，确立液相到微生物膜及微生物膜内部传质、反应速率和电子传递速率之间的定量关系；（2）建立综合考虑生物过程、电化学过程、质量（底物、电子中介体、氧气、质子、离子和电子）传输过程、生物膜生长动力学过程、能够给出产电微生物膜内部特性参数时空分布的非稳态跨尺度三维数学物理模型，并建立相应的求解方法；（3）研发高性能三维电极并建立新的、有效的电极修饰方法以减小阳极的活化过电势。通过以上三个方面问题的研究，不仅为解决MFC应用的瓶颈问题提供理论基础，同时对发展复杂多物理体系中动量、质量与能量传递理论也有重要意义。

微生物燃料电池（MFC）是利用微生物将生物质转化为电能的装置，有着广泛的应用前景。本项目针对MFC功率密度低、动力学性能差这一制约其应用的瓶颈问题，重点对MFC的内部传递现象按照项目《任务书》规定的内容和计划开展了如下研究工作：（1）搭建了MFC系统性能与过程测试试验台，实现了对MFC的性能和内部产电、微生物过程、传质过程的定量分析与测试；（2）对阳极生物膜内的电荷与质量传递过程及调控进行了研究，得到了产电生物膜生长对电荷和传质的影响规律；（3）采用微电极探针测得了产电微生物膜内pH值分布规律，提出了一种新的、确定产电微生物膜的方法；（4）创新性地提出在MFC底物中添加有机可降解添加剂以改善MFC产电性能的方法。（5）建立了含生物膜的空气阴极的数学物理模型，研究了生物膜及厚度增长对MFC阴极质量传递、极化过电位及产电性能的影响。（6）借助最新材料及制备技术包括碳纳米管、石墨烯等表面修饰技术和3D打印技术，研究开发了一系列高性能的MFC三维电极（包括阳极和空气阴极）并建立新的、有效的电极修饰方法，减小了活化过电势，全面增强了电极的导电性、提高其孔隙率和比表面积，并改善了其生物相容性。.在国内外重要学术刊物和会议上发表学术论文23篇（其中被SCI检索的9篇，被EI检索的3篇）；作为第二完成单位、以第4和第6完成人与重庆大学共同申请、本项目的研究成果作为重要支撑材料之一的“多场耦合能质传递强化及调控理论与方法”项目获教育部2019年自然科学一等奖；项目负责人刘中良入选2019年度中国高被引学者；培养博士2人，硕士学位研究生3人。