微生物燃料电池中多层次纳米结构电极材料的制备与关键技术研究

在微生物燃料电池（MFC）中，电极处于"心脏"地位，开发新的或改良现有的电极材料，从而提高电池的功率输出是当今MFC研究的重中之重。本项目采用静电纺丝技术，以聚苯胺和聚丙烯腈为主体材料，结合中空金属纳米球（如Pt、Co 、Ni、Mn等），制备多层次纳米结构的电极材料；深入解析电极材质、微观结构、表面特性等对电极性能的影响,构建具有低成本、高功率输出的微生物燃料电池；优化分析电池的操作条件，全面研究各参数因子对电能输出的影响，为促进MFC电化学技术的实际应用提供必要的基础数据。

发展低成本、高性能的电极材料不仅是提高微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）输出功率的主要途径之一，也是推动该绿色能源技术发展的关键。微生物燃料电池中好的电极不仅具有高的电导率能为电子传递提供通路，高的比表面积粘附微生物并为微生物生长提供足够的空间，而且还应能降低电子在微生物和电极之间的传递电阻，或有助于氧气的还原反应，基于此，本研究设计开发了系列高性能电极材料。首先，合成了系列导电聚合物，并采用静电纺丝的方法，获得了导电聚合物纳米纤维修饰的电极材料，并原位还原引入了金属纳米粒子，制备了具有多层次纳米结构的电极；其次，合成了系列碳纳米材料及金属纳米线修饰二维碳电极，从而极大地提高了电极的比表面积及微生物的粘附密度；最后，通过利用无机金属及其氧化物纳米粒子特有的电催化活性，在三维多孔碳电极表面，原位引入含碳和金属氧化物纳米粒子的杂化材料，极大地提高了电极性能。首次提出了基于碳电极自身特有的吸波特性，采用微波技术的碳基电极的改性方法，深入研究了电极的结构及性能，为发展新型高性能电极提供了实用可行的途径。