有电子媒介体参与的微生物燃料电池的产电机制及媒介体的固定化研究

微生物燃料电池（MFC）是一种能同时处理废水和回收能源的技术，但MFC产电性能的低下制约了它的广泛应用。为了大幅度提高MFC输出功率，有必要对其产电机制进行深入研究。在MFC阳极室引入外源或内源型的电子媒介体是提高电池产电效率的有效途径，但对其内在机制还缺乏全面的了解。另外,通过媒介体的固定化以减少其流失，是高效利用媒介体的前提。本项目将以MFC为平台,采用代谢流通量分析方法及体外酶活性分析方法研究电子媒介体对微生物细胞代谢调控的影响，并在此基础上推测媒介体在MFC产电过程中的作用机制。通过比较多个媒介体对MFC产电能力的影响，揭示电子媒介体的结构特点与MFC产电性能之间的关系。采用碳纳米管/离子液体凝胶修饰阳极并固定化媒介体，建立媒介体固型的MFC，并评价其产电性能。总之，本项目的顺利实施将在理论基础和应用技术两个方面促进MFC的实用化进程。

自2010年1月-2012年12月承担国家自然科学基金青年基金项目“有电子媒介体参与的微生物燃料电池的产点机制及媒介体的固定化研究”开展了四个方面的研究。.1. 微生物燃料电池的构建。根据国内外研究进展构建了单室型空气阴极微生物燃料电池和双室型微生物燃料电池。.2. 筛选了20多株产电细菌，并对其中的三株产电效果最好的细菌进行了分子生物学鉴定，并通过与普通的生理生化试验相结合，鉴定了细菌。.3. 制备了两种种碳负载的Pt合金催化剂，并研究了催化剂的产电性能。第一种催化剂为负载在多壁碳纳米管上的Pt-Ni合金催化剂。这种催化剂(Pt-Ni/MWNT)是将Pt-Ni(Pt的总质量分数为15 %)纳米颗粒分散在羧基多壁碳纳米管上而形成的。由X射线单晶衍射和投射电镜测试可知这种催化剂具有纳米晶体结构且其粒径大约为7.1nm。通过循环伏安法和计时电势分析法评价了其电化学活性和稳定性。阴极时载有Pt-Ni/MWNT催化剂的微生物燃料电池的最高功率密度为1.22 W/m2，这接近商品Pt/C (Pt总质量分数为20 %)的1.4 W/m2。库仑效率达31.6%，比Pt/C (29.3%)的要高。而这种催化剂的成本要远低于商品Pt/C。第二种催化剂为石墨烯负载的Pt-Co合金催化剂（Pt-Co/G）, 通过简单的乙二醇还原的具有高催化活性的Pt-Co/G (Pt 的总质量分数为15 %) 合金颗粒，合金负载在还原的氧化石墨烯上。X射线单晶衍射和投射电镜分析表明这种催化剂的平均粒径大约为4.1nm，且高度均匀地分散在石墨烯上。用循环伏安法评价了催化剂的电化学活性。另外，在微生物燃料电池中研究了其催化性能。在微生物燃料电池中它产生的最高功率密度为1378 mW/m2，非常接近于商品化Pt/C (Pt 总质量分数为20 %)的1406 mW/m2。.4. 开展了浒苔水解液产电性能的研究。浒苔是一种大型藻类，资源丰富，浒苔的合理利用可以实现环保与能源利用的双重功效。