基于天然资源构建微生物燃料电池的三维多孔阳极结构

This project mainly study on the fabrication of three-dimensional porous architecture form natural plant for anode in microbial fuel cells (MFCs), aim to develop high performance and low-cost anode materials for MFCs. The main contents of this research include preparation of macroporous carbon via.selection, drying and carbonization of natural plant resources, study on how to preserve the porous architecture of natural plant to the greatest extent and convert it to 3D porous carbon architecture, investigating the effect of porous architecture and pore size on the behavior and electrocatalytic performance of electroactive biofilms and developing a new method for fabrication of 3D porous anode architecture in MFCs ultimately. Comparing to the reported methods for fabrication of 3D porous anode, this method would show advantages of simple preparation, low-cost, sustainability, which would be easily used for scale-up production and application. This project would provide a new technique and method to prepare high performance materials for anode in MFCs.

本项目研究基于天然植物资源的直接碳化构建微生物燃料电池的三维多孔碳阳极结构，旨在开发高性能、低成本的微生物燃料电池的阳极材料。主要内容包括具有多孔结构植物的筛选、干燥及碳化处理；研究如何最大程度地将植物中的天然多孔结构保存并转化为三维多孔碳阳极结构；研究孔隙结构和大小对电活性微生物膜的生长及其产电性能的关系；并在此基础上发展构建微生物燃料电池三维多孔碳阳极结构的新方法。它与已报道的构建三维多孔阳极结构的方法相比，具有制备简单、成本低、可持续、并且容易规模化生产和应用等优越性。本项目将为微生物燃料电池的高性能阳极材料提供新的制备手段和方法。

近年来发展起来的微生物燃料电池（microbial fuel cells, 简称MFCs）技术是一种环境友好的能源技术，同时也是一种节能的污染治理技术。MFC是一种基于电活性微生物（主要是细菌）的催化氧化有机物质将化学能转变成电能的电化学装置。尽管，与MFCs相关的微生物电化学理论和技术取得了巨大的进展，并逐渐成为一个新兴的研究领域——微生物电化学系统，但是其实际应用（如污水处理）还是受到了极大的限制，主要的原因在于MFCs低的电效率和高的材料成本，亟需开发低成本、高性能和可规模化应用的电极材料。. 本项目主要围绕MFCs开展关键电极材料及其相关的研究工作。在本基金的支持下，取得了以下成果（a）基于天然植物资源的直接碳化构建了MFCs的三维多孔碳阳极、开发了高性能、低成本、可规模化应用的微生物燃料电池的阳极材料，获得阳极电流密度高达100 A m-2，是当前报道性能最高的阳极材料；(b)以环境丰富的纤维素为原料，开发了低成本、高性能的氧气还原催化剂，用于MFC的阴极；（c）基于不锈钢材料的低成本、优异的导电性、耐腐蚀性和机械加工性等优点，我们通过对不锈钢的表面进行修饰，开发了高性能、可规模化应用的MFC阳极,阳极电流密度为100 A m-2；（d）开发了新型的弹性碳泡沫材料，其不仅可作为MFC阳极，同时还可用于吸油、作为超级电容器以及锂离子电池电极等。