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水体重金属污染是当前全球最为关注的环境问题之一，寻求高效节能的水中重金属离子脱除方法已迫在眉睫。微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)可同步产电并在阴极脱除重金属阳离子，但是产电效率低是限制其发展和应用的最大瓶颈。改良阴极和电极材料可较好地提高微生物燃料电池的产电性能。微藻生物阴极通过光合作用产生氧气作为电子受体可极大地节约能源输入，而石墨烯基材料（石墨烯和氧化石墨烯）因其巨大的比表面积在电极材料领域受到了广泛关注。本研究拟以光合微藻悬浮液作为MFC生物阴极，以石墨烯基材料作为电极材料，探究石墨烯基电极材料对光合藻阴极MFC(Photoautographic MFC, PMFC)产电效果的影响以及藻阴极对镉离子的脱除作用。具体的研究内容与结论如下：
(1)通过使用隐晶质石墨(AG)和鳞片石墨(FG)两种天然石墨制备氧化石墨烯(GO)发现，隐晶质石墨更易被氧化且制得的GO-AG表面含有更多含氧官能团，对水中Cd(Ⅱ)的吸附研究表明两种氧化石墨烯对镉离子的吸附速率均较快，2 h即达到吸附平衡，且主要是化学吸附。且GO-AG对Cd(Ⅱ)的饱和吸附量(1792.6 mg g-1)大于GO-FG(1531.7 mg g-1)。
(2)将Chlorella sp. QB-102作为阴极引入MFC中，以还原石墨烯/泡沫镍(NF-rGO)为电极去除Cd(Ⅱ)。研究发现，NF-rGO电极的使用增强了PMFC的产电能力，降低了其内阻，且缩短了启动时间。使用NF-rGO的藻阴极MFC获得的最大功率密度(36.4 mW m-2)是使用干净泡沫镍电极电池的8倍。且NF-rGO的使用进一步提高了阴极藻对Cd(Ⅱ)的最大耐受浓度，约为50 mg L-1。采用NF-rGO电极，PMFC对Cd(Ⅱ)的去除率接近95%，最大吸附量为115 g m-2。电极表面生成氢氧化镉沉淀和阴极藻的吸附作用是PMFC去除Cd(Ⅱ)的主要方式。
(3)在藻阴极MFC中，使用两种氧化度的氧化石墨烯/泡沫镍(高氧化度的NF-GO-0和低氧化度的NF-GO-4)作为电极同步产电并除镉。研究发现，使用NF-GO-0电极的PMFC的最大输出功率密度(209.07 mW m-2)是使用NF-GO-4电极PMFC的6倍，表明高氧化度氧化石墨烯有助于提高PMFC产电性能。而且，连接 NF-GO-0电极的 PMFC对 Cd(Ⅱ)的饱和吸附量(6.039 g m-2)约是连接NF-GO-4电极电池吸附量(3.198 g m-2)的2倍。
综上所述，利用光自养微生物燃料电池阴极实现对重金属的去除是可行和有效的，且利用石墨烯基材料改性电极提高藻阴极微生物燃料电池的产电性能和脱除重金属的能力是高效的。
(1)通过使用隐晶质石墨(AG)和鳞片石墨(FG)两种天然石墨制备氧化石墨烯(GO)发现，隐晶质石墨更易被氧化且制得的GO-AG表面含有更多含氧官能团，对水中Cd(Ⅱ)的吸附研究表明两种氧化石墨烯对镉离子的吸附速率均较快，2 h即达到吸附平衡，且主要是化学吸附。且GO-AG对Cd(Ⅱ)的饱和吸附量(1792.6 mg g-1)大于GO-FG(1531.7 mg g-1)。
(2)将Chlorella sp. QB-102作为阴极引入MFC中，以还原石墨烯/泡沫镍(NF-rGO)为电极去除Cd(Ⅱ)。研究发现，NF-rGO电极的使用增强了PMFC的产电能力，降低了其内阻，且缩短了启动时间。使用NF-rGO的藻阴极MFC获得的最大功率密度(36.4 mW m-2)是使用干净泡沫镍电极电池的8倍。且NF-rGO的使用进一步提高了阴极藻对Cd(Ⅱ)的最大耐受浓度，约为50 mg L-1。采用NF-rGO电极，PMFC对Cd(Ⅱ)的去除率接近95%，最大吸附量为115 g m-2。电极表面生成氢氧化镉沉淀和阴极藻的吸附作用是PMFC去除Cd(Ⅱ)的主要方式。
(3)在藻阴极MFC中，使用两种氧化度的氧化石墨烯/泡沫镍(高氧化度的NF-GO-0和低氧化度的NF-GO-4)作为电极同步产电并除镉。研究发现，使用NF-GO-0电极的PMFC的最大输出功率密度(209.07 mW m-2)是使用NF-GO-4电极PMFC的6倍，表明高氧化度氧化石墨烯有助于提高PMFC产电性能。而且，连接 NF-GO-0电极的 PMFC对 Cd(Ⅱ)的饱和吸附量(6.039 g m-2)约是连接NF-GO-4电极电池吸附量(3.198 g m-2)的2倍。
综上所述，利用光自养微生物燃料电池阴极实现对重金属的去除是可行和有效的，且利用石墨烯基材料改性电极提高藻阴极微生物燃料电池的产电性能和脱除重金属的能力是高效的。