层流型微流体微生物燃料电池内生物电化学及多组分传输特性

Laminar flow based microfluidic microbial fuel cells, a new technology combined the laminar flow of two fluids in the microchannel keeping the anolyte and catholyte separating naturally with the power generation process by microbial fuel cells, are considered as a one of the most promising alternative power sources for micro devices. The bioelectrochemical reaction coupled with the multi-scale mass transport characteristics and their effects on the cell performance are investigated. In this project, the dynamic behavior of exoelectrogenic bacteria and the biofilm formation in micro-space are visualized. The experiments are performed to obtain the multi-species transport characteristics and its effects on cell performance for laminar flow based microfluidic microbial fuel cells. Furthermore, a multi-scale mass transport model considering the growth and metabolism of microorganism at the anode will be developed. Then, combining with the multi-species transport model at the cathode, the mathematical model for the whole cell, which describes comprehensively the bioelectrochemical and multi-species transport characteristics coupled with the electricity generation in laminar flow based microfluidic microbial fuel cells, is presented. Finally, the relationship between the complicated bioelectrochemical reaction coupled multi-species transport and the cell performance is revealed. This work will establish theoretical basis for the research and development of micro-sized microbial fuel cells.

层流型微流体微生物燃料电池是一种将两种流体在微通道内层流流动而使阴阳极自然分开的特点与微生物燃料电池发电过程结合起来的新技术，是微型设备最有前景的替代电源之一。本项目针对层流型微流体微生物燃料电池内含有复杂生物电化学反应的多尺度传递过程及产电特性进行创新性的基础科学研究。内容包括：微小空间内产电细菌运动及微生物成膜特性的可视化实验；层流型微流体微生物燃料电池内多组分传递及其对产电特性的影响实验；建立阳极侧微小空间内包含微生物生长代谢的孔隙、生物膜及阳极微通道多尺度传输的理论模型以及阴极侧包含电化学反应的多组分传递模型，最后通过阳极和阴极模型的耦合，得到一个能够完整描述层流型微流体微生物燃料电池内含有复杂生物电化学反应的多尺度下多组分传递及产电特性的理论模型，揭示微流体微生物燃料电池内复杂生物电化学反应、多组分传递与产电特性之间的耦合作用关系，为微型微生物燃料电池的研究开发提供理论依据。

层流型微流体微生物燃料电池利用流体在微尺度下层流流动的特点去除了传统微型微生物燃料电池中分离阴阳极的质子交换膜，降低了电池内阻和成本，具有广阔的应用和发展前景。本项目主要针对层流型微流体微生物燃料电池内具有生物电化学反应的微小空间内生物膜生长、多场驱动下的多组分传递及微生物产电耦合作用机理开展研究工作, 首先通过可视化实验揭示了不同条件下产电菌成膜及产电特性；其次构建了不同通道结构及多进口结构的微流体微生物燃料电池，发现采用渐扩通道和多进口通道结构可实现对生物膜分布的调控及产电性能的优化；并针对多进口结构的微流体微生物燃料电池内流动与传输建立了理论模型，计算获得了燃料传质特性；然后提出了新型氮掺杂石墨烯气凝胶三维生物阳极，发现该材料扩展了生物膜附着面积，提高了电子从生物膜向电极表面的传递效率，且有利于物质在电极内部的传输，获得了具有三维阳极的微生物燃料电池性能及传输特性；制备了新型氮掺杂石墨烯气凝胶-活性炭作为高效廉价的阴极催化剂，其性能与商业Pt/C电极接近，并构建了具有三维阳极的空气自呼吸微流体微生物燃料电池，获得了电池产电特性；此外，还构建了新型重力驱动的层流微流体微生物燃料电池，研究了电池启动及产电性能，获得了生物膜分布特性及不同外接电阻、不同温度及间断反应物供给条件下电池的电压响应特性。项目的实施为微流体微生物燃料电池技术的应用和发展奠定了理论基础，具有重要的实用价值和研究意义。