离子液体-碳纳米管修饰电极强化微生物燃料电池电子传递的研究

Microbial Fuel Cell(MFC), which is a novel and yet completely different approach to wastewater treatment as the process can capture chemical energy in the form of electricity, is the research hotspot in the field of environment, energy and biology etc.. The key problem that limited MFC to be industrialized is the low electronic transfer efficiency from microbial enzymes to electrode surface, resulting in the low coulombic efficiency of the system. This research offers modification MFC anode surface using ionic liquid/carbon nanotube (ILs/CNT) complex membrane, increase CNT biocompatibility through imidazole ionic liquid thereby establish the stable enzyme-CNT interface, also increase the contact surface between enzyme and electrode surface. CNT, which acts as the directly electron transfering nanowire between the active centre of microbial enzymes and electrode, realize the high efficient transfer of electron from microbial enzymes to anode surface. The project will prepare ILs/CNT complex film with high dispersivity and biocompatibility, and show the mechanism of the increasing of electronic tranfer efficiency through three levels as molecular (electron structure), cell (enzyme electrochemistry), surface (interfacial electrochemistry). The development of the project will offer new idea and new way for the increasing of MFC electron tranfering efficiency, and provide the reference and important essential data for the research of MFC.

微生物燃料电池（MFC）作为一种新型的废水处理技术，可以实现降解废水中污染物，同时能将蕴藏在其中的化学能直接转化成电能，是环境、能源、生物等领域研究的热点。目前限制MFC走向工业化的关键问题是电子从微生物酶向电极表面传递效率较低，导致体系库伦效率不高。本研究提出采用离子液体/碳纳米管（ILs/CNT）复合膜修饰MFC阳极表面，通过咪唑类ILs提高CNT生物相容性从而构建稳定的酶-CNT界面，并提高酶与电极表面的接触面积， CNT作为微生物酶活性中心与电极之间直接电子传递的纳米导线，实现电子从微生物酶到阳极表面的高效传递。本项目将制备高分散性、生物相容性的ILs/CNT复合膜、并从分子（电子结构）、细胞（酶电化学）、表面（界面电化学）三个层面揭示电子转移效率提高的机理。本项目的开展将为提高MFC电子传递效率提供新思路和新方法，也为MFC研究提供理论借鉴和重要基础数据。

微生物燃料电池（MFCs）技术能将环境有机物中的化学能转化为电能，实现能量转化、资源重整，在水处理、可再生能源及生物传感等领域有着广阔的应用前景。近十年来该技术取得了较大进步，但是这些成果多处于实验室研究阶段。其中，影响其实际应用的最大阻碍在于投入成本与效益产出的不匹配。一方面，细菌/电极界面上的电子传递效率较低，限制了底物能量的快速转化；另一方面，传统的电极材料的成本较高，难以大规模应用。本项目致力于开发新型三维生物电极材料，用于可放大的微生物燃料电池阳极，实现细菌/电极界面间的高效电子传递。阳极材料基底利用具有丰富比表面积的三维不锈钢填料，能为电化学活性细菌提供丰富的附着位点，通过导电聚合物和碳材料的掺杂，其生物相容性明显改善。在相同运行条件下，修饰过的电极材料生物负载量增加且在三维电极表面的分布更加均匀，细菌的截流效果改善，能减小污泥的产生。对比试验表面，经过电极修饰的材料其在MFC的输出功率密度提高了2个数量级，电子传递阻力明显减小。在经过60天续批式运行后，表面修饰电极反应器中的金属溶出明显减缓。我们的研究成果表明，该项目开发的碳掺杂聚合物修饰三维不锈钢电极能有效提高细菌/电极界面的电子传递速率，同时较低的成本使其能大规模应用于放大的污水处理单元，使MFCs成为有前景、可实际运用的污水处理技术。