导电聚合物微纳米结构阳极与微生物高效胞外电子传递机制

The energy shortage and environmental pollution are two crucial topics in modern international society. Microbial fuel cells (MFCs) has the dual function of power generation and wastewater treatment, and has promising applications in both developing novel energy conversion system and environment management. The MFC anodes, where microorganisms are generally cultured and hence electrons are collected, play a crucial role in determining the MFCs performance. However, poor extracellular electron transfer efficiency between anode and microorganisms constrains the MFC's power output, which is a main bottleneck for practical applications of MFCs. In prior research, we found that the anode of the aligned polyaniline nanorods can dramatically improve in efficient electricity production, yet the mechanism remains unsolved. Moreover, there is no report on mechanism of extracellular electron transfer between conducting polymers and microorganisms..Here, the extracellular electron transfer between microorganisms and micro/nnaostructured conducting polymer anodes will be studied in detail. First, the research will focused on the designing and preparation of various conducting polymer material with suitable micro-structure and special physicochemical properties. And then the effect of nanostructures and physicochemical properties on extracellular electron transfer will be studied in detail by using electrochemical analysis methods. The scientific significance of this project lies in the introducing the advantages of conducting polymer, such as metal-like conductivities, reversible electrochemical properties, various nano-architechtures, to the bioelectricity systems, and revealing the mechanism of extracellular electron transfer. It will provide a theoretical and practical guide for designing and developing novel high-efficient MFC.

能源短缺和环境污染已成为国际社会关注的焦点问题。微生物燃料电池（MFC）具有产生电能和处理污水的双重功能，已成为国内外能源和环境等领域的研究热点。MFC的阳极具有负载微生物和传递电子的双重功能，因此阳极材料对MFC性能起着重要作用。但是，微生物与阳极之间低效的胞外电子传递，制约了MFC推广应用。前期研究中，我们发现聚苯胺阵列纳米线阳极提高了微生物的产电效率，但是它与微生物之间胞外电子传递机制却不清楚，也未见文献报道。.本申请课题拟开展导电聚合物微纳米阳极与微生物高效胞外电子传递及其机理研究，研究重点是：设计和制备与微生物结构和性能相匹配的导电聚合物微纳米阳极；研究导电聚合物的微纳米结构和性能对微生物胞外电子传递效率的影响，及其胞外电子传递机制。本课题的科学意义在于利用导电聚合物独特的物化性能和纳米效应协同改善微生物电子传递，揭示微生物胞外电子传递机制，将对开发高效MFC具有重要的应用价值。

随着能源需求和环境危机的日益增长，新型能源转换和存储技术已成为研究热点。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。微生物燃料电池（MFC）是利用微生物体直接将化学能转化成为电能的装置，具有发电和废水处理的双重功能。然而，阳极和微生物之间较差的细胞外电子转移（EET）效率，限制了MFC的商业化应用。因此，开发改善EET效率的材料和方法是非常必要的。此外，开发高效的阴极氧还原反应（ORR）的电催化剂是实现燃料电池商业化的关键。.本项目，我们开发了聚吡咯纳米线阵列，它显著增加希瓦氏菌的EET电流输出，优于碳板，Au和锡掺杂的In2O3电极。研究表明，在聚吡咯作用下，希瓦氏菌在电极表面形成了三维多孔网状的生物界面，极大地改善了微生物的电子传输。此外，首次研究了浸润性对希瓦氏菌EET的影响，通过浸润性可调节希瓦氏菌活性蛋白质的氧化还原程度，从而实现微生物内部呼吸作用的控制，这为生物电装置的设计和制造提供了新的思路。以导电性和生物相容性良好的氧化锡锑（ATO）纳米颗粒为微电极，极大地改善希瓦氏菌的胞外电子传递效率，其微生物的输出电流比未添加ATO的增大115倍，这是目前文献报道中增加最大的电流。在三相体系中，采用化学氧化聚合制备了微纳米结构的生物分子hemin掺杂的PEDOT-hemin，其具有高效的氧还原催化性能、高的稳定性、好的耐甲醇渗漏和一氧化碳中毒等性能。此外，我们还开发了一系列由天然原料和导电聚合物纳米材料为前驱体的杂原子掺杂的碳纳米材料。这些碳纳米材料显示出优异的ORR催化活性，比商业Pt/C更好的对甲醇/CO耐受性，使其有望代替铂等贵金属基ORR催化剂。这些研究结果为开发高效的燃料电池提供了有效的解决方案。.研究结果共发表的SCI收录论文25篇，其中包括Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Nano Research，影响因子大于8.0的文章有9篇；授权国家发明专利3项。2014年“导电聚合物微纳米结构及其多功能化”获得国家自然科学奖二等奖。