生物燃料电池中若干关键问题的研究

环境污染和能源紧缺是当今世界面临的两大危机。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)能够在处理废水的同时产生电能，且不排放污染物，作为一类理想的新型清洁能源已成为科学家的研究热点。但是，功率和电池寿命问题是影响MFC发展的瓶颈，使其作为电源应用还很遥远。本项目主要围绕（1）新的高效产电微生物的分离、筛选、驯化、接种到纳米功能化阳极；（2）纳米功能化阳极 产电微生物生物催化膜形成、结构、性质、电子传递及其影响应素；（3）适合形成高效和长寿命生物催化膜的纳米功能化阳极构建办法；（4）生物燃料电池的系统优化和控制等关键问题进行基础研究，争取在提高电池输出功率和连续工作时间方面有所新突破。

本项目按照计划书规划顺利完成研究任务，发表论文32篇，其中Nature指数刊物论文7篇，影响影子大于10一篇。代表性论文（通讯作者）：Nano Energy 1篇，Anal. Chem.3篇，Chem.Commun.4篇，Chem. Eur. J. 1篇, Biosensors and Bioelectronics 4篇，Journal of Materials Chemistry 3篇；专利1件。毕业博士生5名，硕士生3名。达到了预期研究目标。成果主要内容：1）针对像Shewanella oneidensis MR-1一类菌通常带负电荷这一特点，提出了用带正电荷的离子液体功能化的石墨烯（IL-GNS）作为MFC阳极材料来提高微生物的附着量，进而提高MFC产电性能和功率输出的新思路，并得到了实验验证。2）提出并合成了GNRs/PANI 复合物作为MFC阳极材料，实现了利用GNRs和PANI两者的协同作用显著地提高MFC的电流和功率密度的目标。3）提出了利用微波水热一步法合成石墨烯/无定型二氧化钛（G/TiO2）复合纳米材料，并将其应用于MFC阳极材料，达到了增加微生物在电极表面的附着量、提高微生物和电极之间的电子传递效率和提升MFC的功率输出的目标。4）发现氮掺杂石墨烯（NG）具有类似于NADH脱氢酶（CoI）活性，与裸金电极相比，NADH的过电位在NG修饰电极上降低了800 mV，是目前报道的NADH过电位降低的最大值。以甲酸脱氢酶（FDH）作为NAD+为辅酶的脱氢酶模型，基于NG/Au NPs/FDH生物阳极与NG/Au NPs/laccase生物阴极构建了一种高功率输出的新型无隔膜甲酸/O2 EBFC。5）合成了一种含氮量高、孔径结构好的CNTs/g-C3N4 NSs/Au NPs新型三元复合材料，将其用于构建葡萄糖/O2 的EBFC。6）开发了一种EBFC的新应用，即构建了一种新型的基于EBFC的自供能细胞传感器，用于检测急性白血病CCRF-CEM细胞。