基于碳纳米管的高效微生物燃料电池阳极结构及电子传递机理的研究

Mcirobial fuel cell (MFC) with double function of wastewater treatment and electricity generation is a new technology recently developed. However, those intracellular nonconductive materials of peptides or lipids in biofilm result in low electron transfer rate between microbes and extracellular electron acceptors-anodes and low MFC power output. This greatly limits the development and application of MFC. Therefore, it is imperative to increase electron transfer rate between microbes and electrodes by choosing right anode materials and improving anode biofilm structure. In this study, by using porous carbon foams with high specific surface area as anode materials and through optimizing material property and porosity, we will build a biofilm platform with high-efficiency electricity production. Most importantly, a carbon nanotubes-hybrid biofilm system with high conductivity and good fuels diffusion pathway will be constructed using carbon nanotubes modified layers on carbon foam surfaces or carbon nanotubes efficiently doped in biofilms. Meanwhile, the factors of carbon nanotubes doping in microbial biofilm will be established and system parameters will be optimized by experiments. Using our unique electrochemistry-spectroscopy linking technique in situ, electron transfer mechanism between outer-membrane cytochromes of biofilm and electrodes will be revealed and principles of electron transfer rate increase of cytochromes and improvement of biofilm performance through carbon nanotubes will be also elucidated. These work will ultimately provide a fundamental basis and application direction for enhancing MFC power output and accelerating practical application of MFCs.

微生物燃料电池（MFC）是近年发展起来的一种融合污水处理和生物产电的新技术，但是基于微生物膜本身肽聚糖或类脂影响，电子从微生物细胞内传递到细胞外电子受体阳极时速率过慢，导致MFC功率密度低，严重制约MFC技术的发展和应用。因此，筛选阳极材料和改善微生物膜结构是提高微生物膜电子转移速率的重要任务，本项目将以高比表面积的泡沫碳为阳极材料，筛选优化材质，确定最佳孔径，建立高效产电微生物膜平台，重点通过碳纳米管修饰层或碳纳米管的有效掺杂，构建具有高效导电性和良好底物扩散通道的碳纳米管杂化微生物膜体系。同时，通过实验确定碳纳米管杂化微生物膜的形成因素，优化系统应用参数，利用独创的电化学-光谱现场联用技术揭示微生物外膜中细胞色素与电极间的电子传递规律，阐明碳纳米管对提高微生物膜中细胞色素蛋白的电子转移速率的原理及改善微生物膜性能的作用，从而为提高MFC的性能及加速MFC的实用化提供理论基础和应用指导。

微生物燃料电池较低的功率输出限制了它的发展和应用。在本项目中，采用多孔材料和碳纳米管进行改善电化学活性微生物膜的性能。同时，利用电化学-光谱现场联用技术揭示兼性产电菌与电极间的电子转移机理。.（1）发现利用碳纳米管（CNTs）表面修饰法及CNTs生长掺杂法均能提高生物膜的产电性能，与未修饰的对照组相比，采用CNTs后最大输出电流密度可提高125%。已初步建立具有高效导电性和良好底物扩散通道的碳纳米管杂化的微生物膜体系。（2）系统研究不同孔径结构碳泡沫材料分别作为电极时对产电模式菌G. sulfurreducens附着生长及产电性能的影响，并对碳泡沫材料结构进行深入解析和优化。通过对RVC泡沫碳材料的深入优化及理论分析，发现增加比表面积与提高渗透率是进行多孔材料结构优化和改善微生物膜产电性能的主要方向。（a）形貌分析表明利用多孔材料表面及内部所形成的微生物膜的独特网络结构是提高微生物膜产电性能的重要因素之一，确定100 PPI RVC因同时具有高渗透率及高比表面积，是作为微生物膜附着载体的最佳结构。(b)通过利用计时电流法和循环伏安法等评价微生物膜的产电能力，得到在优化的孔径结构表面附着生长的微生物膜产生的电流密度可为平板碳电极材料上的10倍。（c）通过研究RVC的渗透率与比表面积，揭示出EAB产生的电流随孔隙率、孔径的改变而变化；同时，发现搅拌通过改变中间介体的扩散而影响产电的大小，多孔材料孔径较小的100 PPI RVC受搅拌影响较大，其中1000 - 1400 rpm为100 PPI RVC上EAB产电性能最高的最佳搅拌速率。(3）采用电化学－光谱法现场联用独特技术首次揭示一株兼性厌氧产电菌附着在ITO电极表面生长过程中电子转移过程，通过控制外电位时发现该株兼性厌氧产电微生物膜内细胞色素蛋白在微生物膜与电极间电子转移方面有关键作用，这与所报道的厌氧产电菌G. sulfurreducens揭示的机理类似。（4）利用氧化石墨烯（GO）掺杂EAB生长并用来改善其产电性能，首次发现GO和产电菌形成一种新型的多孔微生物膜复合结构，该结构可以显著提高产电性能，与对照组相比，最大电流密度提高了89%。（5）为进一步揭示产电微生物与电极间的相互作用机理，采用石英晶体微天平与衰减全反射红外光谱法联用技术现场监测微生物膜生长过程中产电与微生物膜生物量的变化及与电极表面间发生作用的关