阳极微生物还原氧化石墨烯促进微生物燃料电池在米粉废水中的能量回收

米粉废水是一种含有高浓度有机质的工农业产物.本文以氧化石墨烯(GO)修饰石墨刷作为微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阳极实现米粉废水的产电以及能量回收.当米粉废水的COD浓度为1200 mg·L~(-1)时,MFC的最大功率密度可达1273.89 m W·m~(-2),此时从废水中回收的能量高达0.97 k Wh·kg~(-1)-COD,其远高于目前文献报道值,例如,MFC体系下市政废水中回收的能量仅为0.18 k Wh·kg~(-1)-COD.利用扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)和激光共聚焦(confocal laser scanning microscopy,CLSM)观测电极表面形貌,傅里叶变换红外光谱仪(fourier transform infrared,FTIR)以及拉曼光谱(raman)测定阳极电极的化学结构,循环伏安曲线(cyclic voltammetry,CV)以及电化学阻抗图谱(electrochemical impedance spectra,EIS)测定反映电极电化学性能,结果表明:阳极表面GO负载量随GO修饰浓度的增加而增加;当混合产电菌驯化6个月后,石墨刷表面GO被还原为r GO;与以空白石墨刷为阳极构建的MFC相比,GO修饰石墨刷构建的MFC具有更好的电容特性且传质电阻更低,从而可回收更高的能量.     

AgNPs/聚萘二胺/碳纳米管复合电极对亚硝酸盐的电化学检测

本文采用简单、环保的电化学沉积法制备银纳米粒子/聚萘二胺/碳纳米管修饰玻碳电极(AgNPs/Poly(1,5-DAN)/CNTs/GCE),并将其应用于亚硝酸盐的定量检测.通过扫描电子显微镜(SEM)、能量散射光谱(EDX)和电化学技术对AgNPs/Poly(1,5-DAN)CNTs/GCE的形貌和性能进行表征,研究该修饰电极快速检测NO~-_2离子的电化学行为和电催化机理.结果表明,由于银纳米粒子、聚萘二胺和碳纳米管复合物的协同作用,AgNPs/Poly(1,5-DAN)CNTs/GCE复合电极的电活性面积和催化性能明显提高.该修饰电极对NO~-_2的检测具有优异的电化学行为,催化机理是2个电子参与的不可逆反应.采用安培法检测低浓度NO~-_2,NO~-_2氧化电流随其浓度的增加而增加,且在1.5×10~(-7)—6.75×10~(-5) mol·L~(-1)(I(μA)=0.0667 C+0.1049,R~2=0.9918)范围内呈现良好的线性关系,检出限低至5×10~(-8) mol·L~(-1)(S/N=3).该AgNPs/Poly(1,5-DAN)CNTs/GCE还具有良好的选择性、稳定性和再现性,成功应用于实际样品中NO~-_2的定量测定,加标回收率为96.7%—106.7%,结果令人满意.     

金属及其化合物修饰微生物燃料电池阳极的研究进展

微生物燃料电池是一种利用微生物将生物质转化为电能的装置.阳极是微生物燃料电池的重要组成部分,通过对阳极的修饰可有效提升微生物燃料电池的产电效率.本文在简要介绍微生物燃料电池工作原理的基础上,详细归纳了不同金属及其化合物修饰阳极时微生物燃料电池的产电性能,分析了其促进产电的原因,并对未来的发展趋势进行了展望.     

石墨烯掺杂生物阳极微生物燃料电池的产电性能

本文通过真空过滤含有石墨烯的产电菌悬液直接在不锈钢网(SSM)表面形成石墨烯掺杂生物阳极,并运行单室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)考察其对体系运行性能的影响.实验结果表明,向生物膜中掺杂石墨烯可有效缩短MFC的启动时间,降低阳极的内阻,提高阳极生物膜内的电子传递效率.与纯生物膜阳极体系相比,随着掺杂量的增加,石墨烯掺杂生物阳极MFC体系的阳极电荷转移电阻(Rct)依次降低,由29.3Ω降低到18.1Ω,体系的库伦效率(CE)由50.03%增大到73.97%,体系的最大功率密度(Pmax)由纯生物膜阳极体系的118 m W·m~(-2)增大到588 m W·m~(-2).     

碳纳米管与分子印迹结合修饰玻碳电极应用于氯霉素的快速测定

为了研究水环境中氯霉素(CAP)的快速检测方法,用单壁碳纳米管(SWCNTs)-纳米铜(CuNPs)复合物修饰玻碳电极(GCE),并结合分子印迹(MIP)技术,先后采用循环伏安法(CV)进行电极导电性测试,线性伏安法(LSV)对实验条件进行优化,差分脉冲伏安法(DPV)研究水溶液中CAP的电化学行为.研究结果表明,与GCE电极相比,修饰电极上CAP氧化还原电流信号明显增强,表明修饰电极对CAP具有较好的选择性,能加速电子传递.同时对洗脱液类型、缓冲溶液pH、扫描速度、富集时间及修饰物的负载量等实验条件进行了优化.在最佳条件下,发现CAP还原峰电流大小与其浓度在5—500 nmol·L~(-1)范围内呈现良好的线性关系,线性方程为I(μA)=0.9204C+41.285(R~2=0.9984),检出限为4.8 nmol·L~(-1)(S/N=3),且该修饰电极具有良好的重现性和稳定性.将该修饰电极应用于实际样品分析时,氯霉素眼药水的加标回收率为95.1%—102.5%,实际地表水样的加标回收率为96.5%—102.1%.     

光催化燃料电池不同二氧化钛光阳极性能的对比

选择泡沫钛片和普通钛片,通过溶胶凝胶法、阳极氧化法和脉冲式超声辅助阳极氧化法制备了5种不同的电极作为光催化燃料电池阳极.结果表明,不同方法制备的电极表面结构有所不同,其光阳极电极电位与有机物降解性能也不同.泡沫钛基溶胶凝胶法和超声辅助阳极氧化法制备的电极表面更加粗糙,比表面积也更大,加强了有机物的传质,有利于有机物的迁移与空穴氧化反应及敏化反应.超声辅助阳极氧化方法制备的电极对罗丹明B模拟废水的脱色率最高,p H=1时,120 min内达80%.电极电位的测定结果还表明,两种粗糙电极光激发电极电位比同种方法制备的其它电极高约0.15 V,光照前后的阳极半反应电位差更小,激发电子的积累也较少.这些研究结果对光催化燃料电池的电极选择与电池构建具有参考作用.     

生物电化学系统3种典型构型及其应用研究进展

生物电化学系统(Bioelectrochemical system,BES)是一种交叉学科的前沿技术,随着全球淡水资源和可利用能源日益剧减,BES构型及应用受到广泛关注.简述微生物燃料电池和微生物电解池结构、原理和国内外研究动态,系统介绍BES及其影响因素,其中微生物活性、阴阳电极材料及电池构造最为重要;概述增加电极室、增加反应室和微型传感器等三方面构型及近年来的应用研究进展,比较单电极室和多电极室的优缺点,以微生物脱盐电池、微生物电解脱盐电池、微生物产酸产碱脱盐池为基础介绍增加反应室构型,重点综述BES在生化需氧量监测方面的研究.由于多室微生物燃料电池构造复杂且产能低,单室将是未来生物电化学系统发展趋势;增加反应室主要以脱盐目的为主,且脱盐池的研究仍需要围绕优化阴阳离子交换膜、维持阳极室内pH平衡以及降低空气阴极溶解氧对反应器性能影响;微生物电极传感器可拓宽应用于更多领域,其敏感性和长期稳定性有待进一步提高.目前对产电微生物群落丰度和活性的研究还相对较少,未来电池构型和增加应用范围依然是BES的研究热点.     

改性碳纳米管原始样品吸附亚甲基蓝的性能研究

利用直接制备的碳纳米管原始样品作为染料亚甲基蓝的吸附剂,采用次氯酸钠溶液对于碳纳米管原始样品进行表面修饰改性,改性处理后碳纳米管对亚甲基蓝吸附性较好,本工艺简单有效,所获得的吸附剂具有磁性,吸附过后用磁铁易于达到固液分离的效果.吸附性能结果表明:本吸附剂对水溶液中亚甲基蓝的吸附在60 min基本达到平衡,吸附过程符合准二级动力学模型(R2>0.99).改性后的磁性碳纳米管吸附亚甲基蓝的平衡吸附量qe与亚甲基蓝溶液的平衡浓度Ce的关系满足Langmuir(R2>0.99)、Freundlich(R2>0.91)以及Dubinin-Radushkevich(D-R)(R2>0.92)等温吸附模型.通过Langmuir模型计算可知改性磁性碳纳米管对亚甲基蓝的最大吸附容量为101.6 mg.g-1,由D-R模型计算结果可以推断,次氯酸钠改性后的磁性碳纳米管对水溶液中亚甲基蓝的吸附机理以化学吸附为主.     

直接微生物燃料电池酒精酵母产电及驯化

为提高微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)的输出功率,降低成本,使实际应用成为可能,首次以酒精酵母为产电微生物,在不添加电子传递中间体的条件下,采用开路电压法和极化曲线法对自行设计的电池装置进行性能优化及产电效果研究,同时选取菌种驯化法对酒精酵母的产电适应性进行探讨.结果显示,铁阳极的电化学活性远高于铝阳极和铜阳极,且阳极形状对产电能力有影响;此MFC最大开路电压和输出功率密度分别为1.252V和502.3mW/m2,内阻为777.43Ω;菌种经驯化电流峰值提前,产电适应性增强.实验结果表明,本研究设计的系统性能良好,调整阳极材料和形状可提高电池产电能力,可通过驯化对菌种进行产电稳定性研究.     

羧基化碳纳米管修饰电极伏安法测定湘江水样中间苯三酚

基于羧基化多壁碳纳米管(c-MWCNT)修饰玻碳电极,建立了无汞、高灵敏度测定痕量间苯三酚的新方法.利用循环伏安(CV)法、交流阻抗法(AC)对该修饰电极进行了表征;用线性扫描伏安法(LSV)研究了间苯三酚在修饰电极上的电化学行为.实验结果表明,在0.1 mol·L-1的磷酸缓冲液(pH 6.8)中,当间苯三酚在c-M...     

全氟化合物在阳离子表面活性剂改性碳纳米管上的吸附

采用两种阳离子表面活性剂,四丁基溴化铵(TBA)及聚乙烯亚胺(PEI)对碳纳米管进行改性,并研究了全氟辛酸(PFOA)、全氟辛烷磺酸盐(PFOS)、全氟己烷磺酸盐(PFHxS)在改性碳纳米管上的吸附行为.研究结果显示,除PFOS在TBA修饰的碳纳米管(TBA-MWCNTs)上的吸附等温线呈线性外,全氟化合物在原碳纳米管(Pri-MWCNTs)、TBA-MWCNTs及PEI修饰的碳纳米管(PEI-MWCNTs)上的吸附均为非线性.吸附等温线可以用Freundlich及Langmuir模型拟合.与Pri-MWCNTs相比,PEI-MWCNTs的零电荷点(pHzpc)增加了6.2个单位,全氟化合物的吸附系数Kd值增加2—3倍;而TBA-MWCNTs的pHzpc增加了1.0个单位,PFOS在高平衡浓度下的Kd值增加了两倍.随着溶液pH值的降低,全氟化合物在Pri-MWCNTs和PEI-MWCNTs上的吸附量有所增加,而在TBA-MWCNTs上的吸附受pH值的影响不大.这说明疏水作用及静电作用是全氟化合物在Pri-MWCNTs和PEI-MWCNTs上吸附的主要机制,而疏水作用则为TBA-MWCNTs上吸附的主要机制.与单溶质体系相比,PFOS与PFOA同时存在时二者在PEI-MWCNTs上吸附的Kd值均有所减小,且PFOA的减小程度大于PFOS.PFOS在TBA-MWCNTs上吸附的Kd值在高浓度下几乎不受PFOA的影响.     

聚拉莫三嗪/铋膜修饰电极的电化学行为及分析应用

研究了拉莫三嗪在玻碳电极上的电化学修饰及其修饰电极的电化学行为.在H2SO4介质中,采用循环伏安法制备了聚拉莫三嗪膜修饰玻碳电极(PLTG/GCE),并对修饰层进行了表征;同时研究了用同位镀铋的方法,制得聚拉莫三嗪/铋膜修饰电极(PLTG/Bi/GCE).实验结果表明,铅在聚拉莫三嗪/铋膜修饰电极上可得到灵敏的阳极溶出峰.在最佳实验条件下,Pb2+浓度与其峰电流在4.8×10-8—1.6×10-6mol.L-1范围内呈良好的线性,线性关系为R=0.9979,检测限为8.1×10-9mol.L-1.应用于实际水样中Pb2+的测定,结果满意.     

槲皮素修饰玻碳电极(Qu/GCE)的制备及铜离子-牛血清白蛋白结合反应机制研究

通过滴涂法制备槲皮素修饰玻碳电极(Qu/GCE,Quercetin/Glassy Carbon Electrode),并对修饰电极进行电化学性能表征;利用槲皮素修饰电极研究了Cu2+离子与牛血清白蛋白(BSA,Bovine Serum Albumin)的结合反应机制.循环伏安法测试结果显示该修饰电极具有准可逆氧化还原反应;将槲皮素修饰电极应用于测试重金属离子-血清白蛋白的结合反应机制,在pH 5.0 HAc-NaAc缓冲溶液体系中,使用槲皮素修饰电极测定Cu2+-BSA相互作用,显示出良好的线性响应关系.根据文献报道结合实验数据,本文建议了结合参数计算理论方程,并利用建议的理论方程计算了Cu2+-BSA的结合常数及结合位点数,相关研究结果可为槲皮素修饰电极研究非共价相互作用提供有益参考.     

氮掺杂多孔碳材料阳极制备及其在微生物燃料电池上的应用

微生物燃料电池(MFCs)作为一种可以替代传统能源的生物电化学系统引起研究者的极大兴趣,其阳极材料的构造是目前的研究热点.本文从改善阳极材料表面物理化学性质的角度出发,用吐司作为多孔碳前驱体,三聚氰胺为氮源,直接烧制氮掺杂三维碳材料,并与不添加氮源的阳极材料和未改性的商用碳布进行比较.制备的掺氮NB1000阳极具有较大的比表面积(216.664 m²·g^-1)和优良的电导率.利用Geobacter和Shewanella混合菌落在微生物燃料电池(MFCs)中进行培养和性能评价,NB1000阳极的微生物燃料电池最大面功率密度为3049.714 mW·m^-2,电流密度为7.4464 A·m^-2,分别是普通碳布阳极的6.54倍和1.54倍.结果表明,NB1000作阳极的MFCs具有较高的功率密度,主要归因于阳极中引入氮掺杂,促进了产电微生物胞外电子传递过程所需的外膜c型细胞色素OmcA和MtrC的分泌.     

掺S三维石墨烯气凝胶对水中铅离子的电吸附去除

利用NaHSO_3作为还原剂制备石墨烯气凝胶(graphene aerogels,GAs),利用二硫苏糖醇作为掺杂剂以及还原剂制备掺硫石墨烯气凝胶(Sulfur-doped graphene aerogels,SGAs).通过表征可以看出,与GAs电极材料相比,SGAs电极材料具有更大的比表面积以及孔径分布,更有利于电吸附去除溶液中的Pb~(2+).对比研究在不同工作电压、进水溶液的浓度以及进水流量三个实验条件下两种材料的电吸附性能,在工作电压为1.2 V时SGAs电极具有最好的去除率为36.29%.当进水流量为15 m L·min~(-1)时SGAs与GAs均具有最高的去除率,分别为37.8%、34.1%.在不同进水浓度下,SGAs的去除率均比GAs电极材料去除率高.两种电极材料在不同进水浓度下均满足进水Pb~(2+)离子的浓度越高,吸附量越高.同时经过10次的吸附/脱附电吸附循环实验可以看出两种材料均具有较好的循环再生性能.     

微生物燃料电池运行条件的优化

以葡萄糖为燃料,构建了微生物燃料电池,分别考察了离子交换膜种类(以及没有)、电极材料、电极间距、溶液离子强度(以及添加铁氰化钾)对微生物燃料电池性能的影响,结果表明:使用均相阳离子交换膜、未抛光的高纯石墨板、电极间距0.5 cm、添加 NaCl溶液和铁氰化钾将产生最大的功率密度,优化了微生物燃料电池的运行条件.     

微生物燃料电池产电研究及微生物多样性分析

以乙酸钠为阳极底物,碳毡材料为阴阳电极,构建了无介体双室微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC),研究不同阴极受体、外接电阻、乙酸钠浓度和不同接种方式等因素对电池产电性能的影响.根据不同接种方式下微生物燃料电池产电性能差异,利用PCR-DGGE技术对不同接种方式下的微生物多样性进行分析.研究结果表明:在500 mL的阴阳极反应体系中,当接入500 Ω外电阻,阴极电子受体为高锰酸钾,阳极乙酸钠质量浓度为6.46 g/L,只接入附着有大量微生物的电极时,微生物燃料电池产电性能最好,最大电功率密度可达353.57 mW/m2,库伦效率为39.35%;微生物多样性分析显示.δ-变形菌纲、β-变形菌纲和拟杆菌门的菌种更适应微生物燃料电池的运行环境,能在电极上大量富集.提高电池的产电性能.是电极上的优势菌群.图8表1参21     

FR-CNTs-PbO2/SnO2-Sb/Ti电极性能及电催化降解罗丹明B

利用碳纳米管(CNTs)的优异性能和氟树脂(FR)的憎水性能,采用电化学共沉积法制备掺杂型FR-CNTs-PbO2/SnO2-Sb/Ti复合电极.运用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)仪对该电极的形貌和组成进行表征,采用接触角仪和阳极极化曲线对电极的电化学性能进行考察.结果表明,该电极比FR-PbO2/SnO2-Sb/Ti和PbO2/SnO2-Sb/Ti电极具有更强的憎水性能和更高的O2析出电位,这将有利于提高电极的电催化性能和电流利用效率.将FR-CNTs-PbO2/SnO2-Sb/Ti电极应用于罗丹明B(RhB)的降解研究,30 mA.cm-2电流密度下,处理10μmol.L-1RhB 15 min,RhB去除率高达90.21%.相同条件下,FR-PbO2/SnO2-Sb/Ti电极对RhB的去除率仅为69.08%.且FR-CNTs-PbO2/SnO2-Sb/Ti电极的反应速率常数为0.2215 min-1,是FR-PbO2/SnO2-Sb/Ti电极(k=0.1191 min-1)的近2倍.由此可见,较强的憎水性和较高的析氧电位,增强了FR-CNTs-PbO2/SnO2-Sb/Ti电极的电化学性质和电催化效果.     

SnO2?Sb/碳纳米管复合电极的制备及 催化降解低浓度头孢他啶

利用溶胶凝胶法制备了SnO_2-Sb掺杂碳纳米管复合材料,采用热压法将其固定在不锈钢网上制成平面二维电极,借助SEM、XRD对其形貌、微观结构及元素结构进行分析,通过循环伏安曲线(CV)、极化曲线(Tafel),线性伏安(LVS)对其电化学性质进行了表征.结果显示,锡锑金属均匀地负载到了碳纳米管上且具有良好的电催化活性和稳定性,金属的掺杂使得碳纳米管电极具有更高的析氧电位和更小的阻抗.使用荧光光谱法测试了羟基自由基的产生能力,通过循环5次降解实验验证了电极的稳定性.降解实验表明,SnO_2-Sb/碳纳米管电极对低浓度头孢他啶具有很高的降解效率,在2 mA·cm~(-2)的电流强度下,60 min内可以达到90%的去除率.最后,针对不同的电解质和电流强度对电催化降解效率的影响,也通过实验数据进行了分析.     

石墨烯-单壁碳纳米管修饰分子印迹传感器测定黑茶中槲皮素

本文以石墨烯(GR)和单壁碳纳米管(SWNTs)为修饰剂,研究其对金电极的增敏效果.并以邻氨基酚为功能单体,槲皮素为模板分子,于金电极表面通过电聚合制备对槲皮素具有特定选择性的分子印迹膜(MIP).采用循环伏安法(CV)和差分脉冲伏安法(DPV)研究了分子印迹膜的形成过程、结构、印迹效果和电化学性能.并用与槲皮素结构相似的化合物芦丁进行干扰实验,结果表明,该印迹膜对槲皮素有较好的选择性.优化了测定槲皮素的条件,绘制了槲皮素的工作曲线,该传感器对槲皮素浓度的线性响应范围3.00×10-7—1.92×10-5mol·L~(-1),线性方程为:I(μA)=~(-1)1.8505+2.6893lgc(mol·L~(-1)),(R=0.9935),检出限为1.00×10-7mol·L~(-1).5次重复测定结果的相对标准偏差为6.8%,放置10 d后,响应值为最初的92.5%,该传感器具有良好的重复性和稳定性.对黑茶样品中的槲皮素含量进行了测定,回收率在97.8%—104.0%之间,结果较为满意.