阴极多功能微观反应环境的构建及对微生物燃料电池可持续产电性能的作用机制研究

Rapid decay of cathode performance becomes critical issue to limit the further development and application of membraneless single chamber air-cathode microbial fuel cell (MFC).The project comes up with an innovative approach to solve the problem via fabricating multi-functional microscopic reaction environment (MRE) on the surface of cathode catalyst. The MRE, which is composed of various functional groups, is obtained by means of chemical oxidation-reduction, electrochemical surface modification and template-assisted method. With the help to the properties of functional groups, the multi-functional MRE is characteristic of the capability for catalyzing four-electron oxygen reduction reaction (ORR), inhibiting biofilm growth and enhancing mass transfer on cathode. The research work includes development of method for controllable fabrication of MRE and mechanism of effects of MRE on improvement of ORR activity, inhibition of biofilm growth and acceleration of mass transfer of cathode catalysis. Further, sustainable electricity generation from membraneless single chamber air-cathode MFC will be investigated while real wastewater served as substrate. The results of this project will serve to provide some instructions for electrode selection and technique optimization of MFC for sustainable electricity generation from real wastewater, possessing important academic value and practical significance.

阴极性能的快速衰退是制约无隔膜单室空气阴极微生物燃料电池进一步发展和应用的关键难题。本项目提出通过在阴极催化剂表面构建一种多功能的微观反应环境来解决这个难题。该微观反应环境具有集成催化四电子氧还原反应、抑制生物膜生长及促进物质传递等多种功能的显著特征。这种多功能微观反应环境的构建技术思路是：采用化学氧化-还原、电化学表面修饰及模板控制法等手段在多孔石墨烯材料表面引入特定官能团，并借助官能团的理化性质来实现上述功能。主要研究内容包括：获得微观反应环境的可控制备方法；探明微观反应环境的理化性质对提高催化剂的氧还原反应活性、增强抗微生物污染及物质传递等性能的作用机制；构建无隔膜单室空气阴极微生物燃料电池，考察以实际废水为底物时系统的持续产电性能。本研究成果将为微生物燃料电池处理实际废水提供新的材料选择和工艺优化指导，具有重要的学术价值及实际意义。

微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，具有成本低、剩余污泥产量少的特点，实现了产能与污染物降解的同步进行，成为研究者重点关注的领域。但是诸多因素限制了该技术的进一步发展和应用，比如阴极催化剂活性不高，阴极易受生物污染等。本项目从制备高效、造价低廉且具有较好抗生物污染性能的阴极催化剂入手展开研究工作。本项目采用了类模板法和吸附-自组装法合成了氮掺杂石墨烯-导电炭黑和（铁）氮掺杂活性炭材料，并考察了其氧还原催化活性和在微生物燃料电池中的抗生物污染性能。利用表面活性剂的桥梁作用，成功合成氮掺杂石墨烯包裹导电炭黑的复合材料，该材料表现出了更加优良的导电性并且更有利于氮的掺杂、提高氮的含量。从电化学测试结果表明该复合材料的氧还原催化活性相对于传统的氮掺杂石墨烯更高，并且稳定性更好、使用寿命更长。在吸附-自组装法中，我们选择酞菁和铁酞菁为活性原料，通过自组装方法很好地吸附在活性炭上，该方法有效地提高了活性组分的分散度，有助于提高材料的导电性和氧还原催化活性。用XRD、TEM、SEM、XPS、DTA-TGA以及电化学技术考察催化剂的理化性质。电化学测试结果表明这些催化剂均能实现氧的四电子还原过程。通过对氮掺杂石墨烯的性能研究，我们发现材料表面的含氮官能团及含氧官能团对氮掺杂石墨烯在中性环境中氧还原反应活性有重要影响。此外，含氧官能团的存在对提高催化剂的稳定性也起着非常重要的作用。利用这些方法得到的非贵金属催化剂具有更好的抗生物污染性能。在单室微生物燃料电池实验中，使用这类催化剂的电池具有更好的稳定性，电池性能衰退速度明显低于对照实验。研究结果表明催化剂表面的含氧官能团对减少生物膜形成起着非常重要的作用。使用考马斯亮蓝法测定了阴极受污染后的蛋白含量，结果表明新材料表面附着的生物量最小，说明该材料具备较好的抗生物污染性能。本项目提出了一系列新的非贵金属催化剂合成方法，有效地解决了传统催化剂导电性能较差、催化活性较低以及抗生物污染性能较差的问题，为实现单室空气阴极微生物燃料电池的工业化应用提供了理论基础和实践参考。本项目已发表SCI论文8篇，申请国家发明专利5件，并培养了硕士研究生2名。