基于导电聚合物水凝胶阳极微生物燃料电池的微生物/电极界面反应机制研究

The conversion of organic waste from wastewater into energy is an important part of sustainable energy development。Microbial electrochemical systems, including microbial fuel cells for power generation and microbial electrolysis cells for hydrogen production, have become potential cleansing technologies for renewable energy production and wastewater treatment. The key feature of these systems is the electrons transfer process of organic to anode. The anode output current is the important parameter. So it is necessary to research the interface reaction between microbial membrane and electrode. In this project, polyaniline、 polypyrrole or poly(3,4-ethylenedioxythiophene) will be used as the main material to prepare conductive polymer hydrogel materials, which will be compounded with natural polysaccharides, carbon and nanoparticles to improve the conductivity、biocompatibility and mechanical properties. The electrochemical performance of the electrode, material design, catalytic mechanism and electronic transmission mechanism analysis will be studied. The hydrogel will be used as the anode in microbial fuel cell system to discuss the relationship of material composition and structure, generate electricity and treat waste water. In addition, the chemical and biological reaction process and electron transfer mechanism of microorganism / electrode interface will be discussed. Microbial adhesion on the anode will be researched combine with the microbial community analysis. The aim is to provide scientific evidence and build a microbial electrochemical system with high output power and good stability.

将废水中的有机废物转化为能源，是可持续能源发展的重要组成部分。微生物电化学系统，包括用于发电的微生物燃料电池和制氢的微生物电解池，已成为可再生能源生产和废物处理的潜在清洁技术，这些系统共同的关键特征是由有机物到阳极的微生物催化电子转移过程，提高阳极的电流输出是关键，需对阳极上的微生物与电极的界面反应进行研究。本项目将以聚苯胺、聚吡咯或聚(3,4－乙烯二氧噻吩)为主体制备导电聚合物水凝胶材料，并与天然多糖、碳和纳米粒子等复合，提高导电性、生物相容性和力学性能，围绕电极电化学性能，开展材料设计、催化机理和电子传递机制解析研究。将水凝胶用于微生物燃料电池系统阳极，探讨材料组成和结构与产电和处理废水间的规律，研究微生物/电极界面的化学与生物反应过程与电子传递机制，结合微生物群落分析等，揭示微生物在阳极内部附着规律，为构建高功率和良好稳定性的微生物电化学系统提供思路和科学依据。

将废水中的有机废物转化为能源，是可持续能源发展的重要组成部分。微生物电化学系统，包括用于发电的微生物燃料电池和制氢的微生物电解池，已成为可再生能源生产和废物处理的潜在清洁技术，这些系统共同的关键特征是由有机物到阳极的微生物催化电子转移过程，提高阳极的电流输出是关键，需对阳极上的微生物与电极的界面反应进行研究。本项目分别以聚苯胺、聚吡咯或聚(3,4－乙烯二氧噻吩)为主体制备导电水凝胶，并与天然多糖（壳聚糖、海藻酸钠和羧甲基纤维素）、碳（纳米碳、碳纳米管和石墨烯）和纳米粒子（包括MnO2、Fe3O4和TiN）等制备导电复合水凝胶，提高电极的导电性、生物相容性和力学性能。通过先进仪器对导电水凝胶结构和其它物理特性进行测试。通过标准三电极体系和微生物燃料电池系统研究电极的电化学性能。通过高通量测序、蛋白质含量和单菌培养等分析生物阳极上的微生物群落。同时对微生物燃料电池多周期运行、产电和处理废水间的规律进行了研究。导电水凝胶是一个复杂系统，研究发现聚苯胺、聚吡咯或聚(3,4－乙烯二氧噻吩)等直接作为电极时表现出较好的电化学性能，但也暴露出其力学性能和导电性较差的缺点，通过与碳材料和纳米粒子复合可以较好的解决力学和导电性问题，还可通过复合聚乙烯醇或采用冻融的方法提高其力学性能，此外复合天然多糖可以明显提高电极的生物相容性。复合聚乙烯醇和天然多糖后虽然能提高力学性能和生物相容性，但导电性又受到限制，因此导电复合水凝胶组成和结构设计非常重要。导电水凝胶阳极由于组成和结构的差异，在其表面的微生物也有明显区别，产电菌群也有较大差异，对其产电性能也有很大影响。本项目的研究将导电水凝胶用于微生物燃料电池系统，通过分析微生物与电极界面的化学与生物反应过程与电子传递机制，结合微生物群落分析等，揭示微生物在阳极附着规律及对产电性能的影响，可为构建高功率和良好稳定性的微生物电化学系统提供思路和借鉴。