生物质碳源细菌纤维素/二氧化铈微生物燃料电池复合阳极的研究

Microbial fuel cell (MFC) was a device for generating electrical currents via oxidizing organic compounds by using microorganisms as a biocatalyst. It was an effective approach to alleviate energy and environmental problems in the future. Research showed that the lack of anode capacitance was the main factor leading to the power overshoot, however study on correlation between capacitor and battery performance was very scarce. This project will make use of stalk saccharified liquid as the main carbon source to synthesis bacterial cellulose (BC) by fermentation method, then the carbonized bacterial cellulose (CBC) will be used as substrate electrode, on which cerium oxide (CeO2) with different morphologies will be controllable synthesized in different reaction conditions. Performance of half-cell and battery of the carbonized bacterial cellulose and cerium oxide (CBC/CeO2) with different capacitance will be tested by constructing a model, in order to reveal the relationships between capacitance and performance of MFC. High performance and low cost biomass carbon source MFC anode can also be obtained in this project to enrich the research system of MFC anode materials, at the same time, the research results can be used to guide the assessment of other types of electrode properties and the development of new anode materials in MFC. Research on this project has important practical significance.

微生物燃料电池（MFC）是利用微生物作为催化剂，氧化分解生物质同时输出电能的一种装置，是未来缓解能源危机和环境问题的有效途径。研究表明，阳极材料的电容不足是导致电压反向的主要因素，然而电容与燃料电池性能相关性的研究十分匮乏。本项目拟利用秸秆糖化液为主要生物质碳源，首先采用发酵的方法制得细菌纤维素（BC），将其碳化后获得碳化细菌纤维素（CBC），以此作为基底电极，控制条件下，在其表面生成不同形貌的二氧化铈（CeO2），制备不同比电容值的碳化细菌纤维素/二氧化铈（CBC/CeO2）复合阳极，再通过构建MFC 性能测试模型，测定半电池和全电池的性能参数，揭示比电容对MFC 性能的影响规律。通过本项目的研究，一方面可以获得高性能、低成本的生物质碳MFC 阳极材料，丰富MFC 阳极材料的研究体系，同时，研究成果可用于指导MFC 新型阳极材料的研制以及电极材料性能的评估，项目研究具有重要的实际意义。

本项目以农业废弃物玉米秸秆糖化液为生物质碳源，合成细菌纤维素(BC)，将其改性后作为隔膜组装微生物燃料电池(MFC)，性能与商品化的Nafion117相当；通过液相色谱法监测酶解过程中，获得了优化的产膜条件，并在特定体系中，建立了折射率法测糖的简便方法；将BC碳化后可制得片层状结构，孔径分布3.59 nm的碳化细菌纤维素(CBC)，其比表面积为385 m2•g-1，大于Vulcan XC-272型活性炭(AC)(254 m2•g-1)，以CBC作为载体制备的Hb-CBC/NF/GCE，在相同测定条件下，对O2的催化还原电位比Hb-AC/NF/GCE正移0.15 V左右，说明其对O2具有更强的催化作用；二氧化铈/碳化细菌纤维素(CeO2/CBC)复合催化剂对H2O2、O2同样也具有电催化作用，进一步研究有望获得相应的传感器；为了减少环境污染，本项目还设计了废液循环利用及降解的处理方案，一方面利用电化学法降解废液并产电，另一方面以酸碱废液为原料配制洗涤产品，基本实现废液的零排放；还设计合成了CPO@H-MOF(Zr)、HRP@H-MOF(Zr)两种MOF材料固定化酶，通过酶催化法对有机废液中的异戊二烯和2，4-二氯苯酚进行降解，15min后降解效率达到100%，与游离酶相比，其稳定性、降解效率及重复使用率均大幅度提高。本项目的研究在获得高性能的生物基新材料的同时，开拓了一种农业废弃物高效循环利用的绿色环保新途径。