论文部分内容阅读
随着有机废弃物数量的日益增加和化石燃料的逐渐耗竭，环境保护与新能源开发受到越来越多的重视。近年来，一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能的装置——微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)，逐渐成为环境污染治理和新兴能源开发领域的研究热点。在MFC中，电子从有机物中被提取出来传递给阳极的速率和阴极接受电子的速率是影响电能输出的主要因素。因此，对MFC中产电微生物(Electricigenic microorganisms)电极还原机制(电子提取传递方式)的研究、寻找低廉高效的阴极材料(电子接受方式)、优化电池构型均对提高电能输出、降低造价具有重要的理论意义与应用价值。
本文根据微生物铁还原机制与电极还原机制的相似性原理，利用一株具有铁还原能力的肺炎克雷伯氏菌L17(Klebsiella pneumoniae L17)接种MFC。通过对电池性能的测试，确定该菌株不但具有直接产电活性，而且能利用包括淀粉在内的多种有机物产电。采用循环伏安(CV)扫描阳极菌的电化学活性，结果表明附着在阳极表面的L17菌生物膜细胞在产电过程中起主要传递电子作用；扫描电子显微镜(SEM)观察阳极形貌，同样证明了L17菌株具有附着阳极形成生物膜的能力；更换阳极非生长基质液时，电池的产电性能几乎不变，这也进一步证实了L17菌株在MFC阳极的产电机制是靠形成生物膜的细菌细胞直接传递电子。
在以溶解氧为电子接受体的双室平板MFC中，分别考查碳纸、石墨纸、碳毡、活性炭几种碳材料作阴极材料的电池性能，实验显示比表面积大的碳毡、活性炭作阴极材料有利于溶解氧的吸附，能提高电池的电能输出。而当MFC阴极应用二氧化锰(MnO2)材料时，结果表明MnO2能催化氧还原反应(ORR)，并且催化活性随pH值的增加而增强，但是，强碱性体系却会限制细菌的正常生长及其活性。
通过简单的水热法成功地制备α—，β—，γ—，三种晶型的MnO2，采用X—射线衍射(XRD)、SEM、BET、线性扫描伏安(LSV)、电势滴定法等多种手段对制备的样品进行表征。结果表明这三种晶型的MnO2均可催化ORR，且β—MnO2展现出最高的催化活性，这是由其自身较大的比表面积和较高平均氧化态(AOS)值决定的。将制备的三种样品应用于经济有效的单室平板MFC中，电池性能测试结果显示，MnO2作MFC阴极材料可以大大提高其电能输出，载8 mg·cm-2β—MnO2催化剂的MFC产电量相当于载0.5 mg·cm-2 Pt催化剂MFC产电量的64.2％，而MnO2材料的价格比Pt则低得多，使其更具有应用前景。
在以β—MnO2阴极催化剂的单室平板MFC的基础上对电池结构做了进一步优化，设计出单室管状构型，在同等条件下的电池测试结果表明，管状MFC最大输出功率可达3773 mW·m—3，是平板MFC输出功率(466 mW·m—3)的8倍。