面向污水处理应用的不锈钢微生物阳极：表面修饰和结构优化

Microbial fuel cell (MFC) is a new technology of wastewater treatment, it can recover electric power during the removal of waste from water. The electrode is one of key factor for the efficiency of waste removal and electricity production in MFC. Due to the low electrical and mechanical property, the use of carbon anode in MFC for scalable wastewater treatment application is greatly limited. Owing to the good characteristics of stainless steel, such as low-cost, high electrical and mechanical properties, in this project, we develop stainless steel bioanode of MFC for scalable wastewater treatment application. The main content of this study includes, (a) surface modification of stainless steel to obtain stable, firm, biocompatible and corrosion resistant surface; (b) study on the effects of surface property on the behavior of electroactive biofilm; (c) fabricate three-dimensional stainless steel bioanode, build quantitative relations between porous parameters and the current production, and optimize the growth of biofilms and performance of pollution removal and electricity production. This project will provide theoretical direction for the design of bioanode for scalable application of MFC in wastewater treatment.

微生物燃料电池（MFC）是一种新型的污水处理技术，其可在去除污染物的同时回收电能。阳极材料是影响MFC去污和产电的关键因素之一。由于相对较低的电导率和机械强度，MFC常用的炭基阳极在污水处理应用方面受到了极大的限制。基于不锈钢材料的低成本、高导电和耐腐蚀等特征，本项目拟开发可规模化污水处理应用的MFC不锈钢生物阳极。主要内容包括：对不锈钢材料进行表面修饰，获得稳定、牢固、微生物相容和耐腐蚀的表面修饰层，研究表面性能与微生物膜生长之间的关系，采用理论模拟和实验相结合的方法建立三维孔隙参数（包括孔径、孔深度和孔形状等）与和产电之间的定量关系，优化三维阳极中微生物膜的生长，提高MFC的去污和产电性能，为污水处理应用MFC的阳极设计提供理论指导。

微生物燃料电池（MFCs）是一种新型的污水处理技术，其可在去除水体污染物的同时回收电能。阳极材料是影响MFC去污和产电的关键因素之一。由于相对较低的电导率和机械强度，MFC常用的炭基阳极在污水处理应用方面受到了极大的限制。不锈钢材料具有低成本、高导电和耐腐蚀等特征，本项目基于不锈钢材料开展了可规模化污水处理应用的MFC生物阳极和阴极材料，主要内容包括：a)不锈钢（金属）阳极的表面修饰和性能，b)不锈钢（金属）阳极的三维结构调控，c)修饰不锈钢阳极（或生物膜载体）的污水处理研究，d)微生物燃料电池三维空气阴极研究及其生物污染行为研究，e)好氧微生物电化学污水处理技术。项目使用反应性粘结修饰策略，提高了电极对微生物的附着性能，降低了电极的内阻，强化了修饰层与不锈钢基底的相互作用，提升了不锈钢的耐腐蚀性能。该表面修饰方法简单、成本低、稳定性好，并且还适用于具有不同三维结构的基体。以镍泡沫作基底时，面积电流密度和体积电流密度分别可以达到7.7mA cm-2和77mA cm-3，代表了当前金属生物阳极的最高水平。本项目同时开发了高性能三维旋转空气阴极，其产生的氧气还原电流是静态下的3倍，并将MFC的产电功率密度提升到静态下的2倍。本项目开发了可规模化制备和实际污水处理应用不锈钢生物阳极和氧气还原阴极材料，阐明了修饰涂层的表面成分与微生物电催化性能间的关系，优化了MFC三维金属阳极的孔隙结构，提升了电极的表面和空间的利用率，提升了MFC的去污和产电性能，探索了不锈钢生物阳极在污水处理中应用的可行性，为MFC的实际污水处理应用提供了重要的理论支撑。