石墨烯修饰电极微生物燃料电池及其抗菌性研究进展

基于石墨烯具有优异的物理化学特性,石墨烯修饰电极能有效提升微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,简称MFC)产电性能并降低制备成本,而成为MFC研究发展的重要方向.本文系统介绍了石墨烯及石墨烯复合材料修饰阳极和阴极MFC、石墨烯材料的抗菌性等方面的研究进展,提出深入探讨石墨烯修饰电极与MFC微生物的相互作用关系,协调MFC石墨烯修饰电极抗菌性及强化产电是今后石墨烯电极MFC研究的重要内容.     

微生物还原石墨烯修饰碳毡电极的电化学特征

本文探讨了腐败希瓦氏菌（Shewanellaputrefaciens ATCC 8071）与生物呼吸驱动下自组装3D-br-GO修饰碳毡电极之间相互作用的电化学特性,并且进一步探究了施加+0.1V（vs.Ag/AgCl）电势于生物电极对其相互作用的影响.X射线衍射检测表明GO在微生物呼吸驱动下生成了还原态氧化石墨烯（br-GO）.扫描电镜图像显示GO修饰电极表面有大量的br-GO包裹细菌的复合结构,说明br-GO对微生物具有较好的生物相容性,且由微生物呼吸驱动得到的三维br-GO自组装地修饰到生物电极上增加了其比表面积和细菌负载量.通过生物膜生长过程中的产电监测、循环伏安法测试,结果表明GO的修饰有利于细菌附着于电极形成活性生物膜,促进了微生物与电极之间的电子转移.而施加+0.1V（vs.Ag/AgCl）电势于GO修饰的电极,结果显示电极上仅有少量的细菌负载,没有形成活性生物膜,微生物与电极之间的电子转移行为明显减少,表明施加+0.1V（vs.Ag/AgCl）电势可能对电极上微生物呼吸生长有抑制作用.     

聚吡咯改性电极强化MFC驱动铀污染土壤的电动修复研究

为探究聚吡咯(PPy)改性电极强化微生物燃料电池(MFC)驱动铀污染土壤的电动修复研究,利用PPy对碳毡电极进行改性,研究不同比例PPy改性电极对MFC的产电性能及其驱动铀污染土壤电动修复效果的影响。结果表明：PPy改性电极增强了MFC的产电性能,CP100最大电压164 mV,最大功率密度18.92 mW/m²,比原始碳毡电极分别提升了29.13%和43.12%;PPy作为MFC阴极增强了土壤中铀的去除效果,其中CP50相较于原始碳毡电极铀的吸附率提升了约13倍;以MFC作为电源能够有效驱动土壤中的铀从阳极向阴极的迁移,其中CP50实验组近阳极区域土壤中铀的最大去除率高达56.42%。综上所述,PPy改性电极对微生物燃料电池的产电能力和铀的去除均具有明显的强化作用。     

石墨烯掺杂聚苯胺阳极提高微生物燃料电池性能

微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）技术可分解代谢污染物质并同步输出电能,在环境及能源领域吸引了越来越多的关注.但是,输出功率密度较低、成本较高、底物降解率低等特点限制了其实际应用,其中阳极是主要限制因素之一.本研究选取具有优异导电性、大比表面积的石墨烯和生物相容性较好的聚苯胺（polyaniline,PANI）,并优化二者比例关系,制备得到石墨烯掺杂PANI复合材料.将复合材料涂覆在玻碳电极表面分析电化学性能,循环伏安（cyclic voltammetry,CV）和线性伏安扫描（linear sweep voltammetry,LSV）测试结果均显示石墨烯含量占比20%的复合电极（20%石墨烯）电化学性能最好.将复合材料修饰在碳布表面作为MFC阳极时以石墨烯含量占比5%的复合电极（5%石墨烯）生物电化学性能最佳,LSV得到最大输出功率密度为（831±45）mW·m^-2,分别是20%石墨烯、1%石墨烯、石墨烯、PANI、碳布阳极的1.2、1.3、1.3、1.5、1.8倍.最大输出电压、开路电压、化学需氧量去除率、库仑效率、生物量密度均以5%石墨烯电极最高.电化学阻抗分析表明5%石墨烯电极极化内阻仅为（24±2）Ω,是碳布电极的19.8%.电化学和生物电化学性能并不完全一致,说明电极材料的生物相容性是影响MFC性能的主要因素之一.5%石墨烯阳极充分发挥了石墨烯和聚苯胺的优点,提高了MFC的产电性能.     

氧化石墨烯与聚苯胺修饰阴极的微生物燃料电池电化学性能

利用聚苯胺（PANI）与氧化石墨烯（GO）来修饰微生物燃料电池（MFC）阴极电极,可以加强氧阴极还原速率并且降低阴极电势损失.本文利用扫描电镜（SEM）、元素分析（XRD）、红外光谱（FTIR）、CV曲线与EIS曲线分析等手段,考察PANI与GO联合修饰MFC阴极的方法及其电化学性能改善效果.结果表明在聚合修饰液中,当苯胺浓度为0.1M时,GO的最佳浓度为0.10~0.12g/L,此时修饰电极的氧还原峰电位最高,CV测试电活性面积最大,EIS的测试表明此时阴极传荷内阻达到最小.研究显示通过使用GO与PANI来共同修饰微生物燃料电池阴极可以使阴极的高电化学活性更高,可提高MFC的最大电压和最大电容.研究结果对优化,MFC的应用与运行具有借鉴意义.     

石墨烯/聚苯胺修饰阴极对反硝化MFC性能影响

反硝化生物阴极微生物燃料电池（MFC）以电极为电子供体,在自养条件下完成硝酸盐去除过程.本研究以碳布（CC）为基底材料,分别制备获得还原氧化石墨烯修饰（rGO-CC）,聚苯胺修饰（PANI-CC）及二者复合修饰的CC电极（rGO/PANI-CC）,并考察其作为阴极材料对反硝化生物阴极MFC产电脱氮性能的影响.扫描电镜结果显示,rGO-CC和PANI-CC的碳纤维分别被片层状rGO和网状PANI覆盖,而rGO/PANI-CC表面呈现PANI在附着rGO的碳纤维上团聚的形貌,均增大了碳布的比表面积.循环伏安测试显示,rGO/PANI-CC具有最高的电化学活性.以rGO-CC,PANI-CC和rGO/PANI-CC为阴极构建MFC的产电能力分别提高了82%,24%和41%,其阴极对NO₃^--N的去除能力增强了23%,9%和13%.16S rDNA测序结果揭示修饰后电极表面微生物的多样性下降,Stappia和Pacacoccus属微生物的丰度增加.     

石墨烯/聚苯胺修饰阴极对反硝化MFC性能影响

反硝化生物阴极微生物燃料电池（MFC）以电极为电子供体,在自养条件下完成硝酸盐去除过程.本研究以碳布（CC）为基底材料,分别制备获得还原氧化石墨烯修饰（rGO-CC）,聚苯胺修饰（PANI-CC）及二者复合修饰的CC电极（rGO/PANI-CC）,并考察其作为阴极材料对反硝化生物阴极MFC产电脱氮性能的影响.扫描电镜结果显示,rGO-CC和PANI-CC的碳纤维分别被片层状rGO和网状PANI覆盖,而rGO/PANI-CC表面呈现PANI在附着rGO的碳纤维上团聚的形貌,均增大了碳布的比表面积.循环伏安测试显示,rGO/PANI-CC具有最高的电化学活性.以rGO-CC,PANI-CC和rGO/PANI-CC为阴极构建MFC的产电能力分别提高了82%,24%和41%,其阴极对NO₃^--N的去除能力增强了23%,9%和13%.16S rDNA测序结果揭示修饰后电极表面微生物的多样性下降,Stappia和Pacacoccus属微生物的丰度增加.     

膨润土-PTFE碳布电极对微生物燃料电池的影响

空气阴极MFC是一种无需添加曝气装置的MFC构型,它是利用大气中的氧气作为阴极的电子供体,相比其它构型的MFC节省了装置运行的能耗。该文以膨润土作为修饰碳布电极的材料,以PTFE为粘结剂将膨润土粘附于碳布上,然后通过扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、线性扫描伏安曲线(LSV)和循环伏安曲线(CV)表征电极的微观结构以及电化学性能。然后以制备的电极作为空气阴极MFC的阴极材料。其中碳布电极、膨润土单侧修饰的碳布电极和膨润土双侧修饰的碳布电极分别为空气阴极MFC反应器1、2和3的阴极材料,考察经过膨润土修饰的碳布电极对空气阴极MFC的影响。电池的电压、极化曲线、功率密度等电化学参数的结果表明MFC反应器2的性能最佳。控制外电阻为1 000Ω,MFC反应器1、2和3的最大电压分别为0.048、0.095和0.056 V,最大功率密度为12、33和17m W/m~2。膨润土修饰的碳布电极作为MFC阴极提高了对氧气的吸附能力和阴极的催化性能,进而提高了空气阴极MFC的性能。     

桉树叶提取液还原石墨烯电极提高微生物燃料电池产电性能的研究

将桉树叶提取液绿色还原氧化石墨烯(G-rGO)电极和微生物还原氧化石墨烯(B-rGO)电极依次作为微生物燃料电池(MFC)阳极,采用红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对所制备的电极进行表征,并采用循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)对比2种电极的电化学性能.结果发现,G-rGO阳极的内阻为243.87Ω,应用于MFC时最大功率密度和最大输出电压分别为18.77 W·m~(-3)和760 mV,对照组B-rGO电极的内阻为299.11Ω,将其应用于MFC时最大功率密度和最大输出电压分别为13.16 W·m~(-3)和635 mV,对照组未修饰阳极的内阻为375.21Ω,最大功率密度和最大输出电压分别为8.97 W·m~(-3)和480 mV.研究表明,G-rGO电极电阻更小,导电性能更优越.     

石墨烯修饰的二氧化钛纳米管电极光电催化去除铜氰络合物研究

首先采用阳极氧化法制备了二氧化钛纳米管电极,进一步通过电化学循环伏安法制备了石墨烯(GO)修饰的二氧化钛纳米管电极.同时,采用SEM对电极的形貌进行了表征分析.光电化学测试分析结果表明,石墨烯修饰二氧化钛纳米管电极的电极光电响应性能得到了提高.最后,采用制备的电极为光阳极,通过光电催化氧化方法对铜氰络合物进行了去除研究.结果表明:在电压为2.0 V的条件下,采用二氧化钛纳米管电极,反应120 min后,剩余总氰的含量及铜的回收率分别为4.0%和96.3%;采用石墨烯修饰的二氧化钛纳米管,反应60 min后,剩余总氰的含量及Cu的回收率分别为0.3%和99%.可以看出,经石墨烯修饰的二氧化钛纳米管显示出了较好的光电催化去除铜氰络合物的效果.     

A simple and sensitive method for the determination of 4-n-octylphenol based on multi-walled carbon nanotubes modified glassy carbon electrode

A simple and sensitive electroanalytical method was presented for the determination of 4-n-octylphenol (OP) based on multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) modified glassy carbon electrode (GCE). OP was directly oxidized on the MWCNTs/GCE, and the electrochemical oxidation mechanism was demonstrated by a one-electron and one-proton process in the reaction. The oxidation peak current of OP was significantly enhanced by the use of MWCNTs/GCE compared with those of bare glassy carbon electrode, suggesting that the modified electrode can remarkably improve the performance for OP determination. Factors influencing the detection processes were optimized. Under these optimal conditions, a linear relationship between concentration of OP and current response was obtained in the range of 5×10^-8 to 1×10^-5 mol/L with a detection limit of 1.5×10^-8 mol/L and correlation coefficient 0.9986. The modified electrode showed good selectivity, sensitivity, reproducibility and high stability.     

漆酶包埋修饰阴极提高生物-电-芬顿处理聚醚废水处理效率

利用漆酶包埋修饰碳毡阴极构建微生物燃料电池-电-芬顿体系强化降解聚醚废水.结果表明,在pH为4,漆酶浓度为7 mg·mL~(-1)时,24 h后阴极室聚醚废水COD降解率达68.1%,比未修饰的碳毡阴极提高28%.漆酶修饰阴极强化电池的产电性能和提高H_2O_2的浓度,且H_2O_2的浓度在此工艺中起关键作用.微生物燃料电池最大电压达548 mV,H_2O_2最大浓度为3.14 mg·L~(-1),分别比碳毡阴极提高21.8%和25.6%.从三维荧光谱图中得出聚醚废水中的双酚和甲苯二胺等荧光物质被降解.综上所述,漆酶包埋修饰阴极是提高MFC-electro-Fenton处理聚醚废水效率的有效途径.     

甲烷生物燃料电池的产电影响因素及机制研究

考察了阳极电极材料、电极面积、电极电位、pH、阴极电子受体对甲烷生物燃料电池（MFC）产电性能的影响,并通过高通量测序、循环伏安法（CV）分析了其可能的电催化机制.结果表明,透气布/碳布（GTC）复合材料为阳极时产电性能（1251.3 mA·m^-2）最佳,分别是石墨烯/中空纤维膜（G-HFM）阳极（34.8 mA·m^-2）和碳布（CC）阳极（3.21 mA·m^-2）的36倍和390倍;阳极面积越大,MFC启动时间越快,电流密度越大;当电极恒电位为0.1 V （vs.SHE）时,其产电能力较-0.1、+0.3及+0.5 V时高;pH=7最有利于产电;溶解氧为MFC阴极电子受体时,最大功2率密度（703.9 mW·m^-2）优于铁氰化钾（457.2 mW·m^-2）、空气阴极（124.2 mW·m^-2）和高锰酸钾（20.7 mW·m^-2）作为电子受体的MFC.阳极室微生物群落结构分析显示,电活性细菌Geobacter（17.14%）和Desulfovibrio（8.51%）为优势种,其产电机理可能是甲烷氧化菌（Methanobacterium、Methylomicrobium等）与电活性细菌协同氧化甲烷驱动MFC产电.添加NO气体、N-乙酰蛋氨酸和蛋白酶K均可明显抑制阳极生物膜的电化学活性,表明其胞外电子传递过程依赖细胞色素c、Ni-Fe氢酶及与电极接触的外膜蛋白的介导作用.     

聚苯胺/蒽醌修饰碳毡作为阴极在电芬顿中的应用

通过电化学的方法制备了经2-蒽醌磺酸钠（AQS）和聚苯胺（PANI）修饰的碳毡（CF）电极,探究其作为阴极应用于电芬顿系统中降解有机污染物的特征和影响因素及电化学稳定性.实验结果表明：经AQS/PANI修饰后碳毡阴极的电子转移内阻显著降低,仅为未修饰碳毡电极的0.21%,电化学活性显著提高.相同实验条件下修饰后的电极产过氧化氢的量约是未修饰电极的10倍.在阴极电位为-0.5 V,pH值为2以及Fe²⁺浓度为0.1 mmol·L^-1的条件下,60 min内罗丹明B的降解率可达96.46%.而在同样的实验条件下,CF、AQS/CF和PANI/CF分别作为阴极时,电芬顿体系对于罗丹明B的降解率分别为24.57%、64.29%和72.97%,均低于AQS/PANI/CF阴极.在此基础上,进一步开展自由基的淬灭实验和EPR实验,结果表明经AQS/PANI修饰后的碳毡阴极可有效催化还原分子氧产生超氧自由基,超氧自由基进一步转化为芬顿反应过程中所需的过氧化氢.     

微生物燃料电池改性阳极处理PTA废水

探讨了不同改性阳极对微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)产电性能及其对MFC处理难降解废水能力的影响.以单室空气阴极为基础,利用0.1 g电气石、质量分数75%二氧化锰/埃洛石纳米管(manganese bioxide/halloysite nanotube,MnO_2/HNT)和多壁碳纳米管-羧基(multi-walled carbon nanotube-carboxyl,MWCNT-COOH)对MFC阳极进行修饰.结果表明,不同改性阳极的MFC对含精对苯二甲酸(purified terephthalic acid,PTA)废水的去除率均高于70%,且化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率在79%以上.相较于其他几种改性阳极,以MWCNT-COOH改性材料作阳极的MFC产生的最大输出电压最高,获得的最大功率密度最高,分别为529 mV和252.73 mW·m~(-2).     

聚噻吩改性阴极强化电极生物膜反应器去除硝酸盐机制研究

为进一步提高电极生物膜反应器的脱氮效能,采用导电聚合物聚噻吩(PTh)和电子穿梭体蒽醌-2,6-二磺酸二钠(AQDS)改性阴极材料石墨毡,系统研究了不同碳氮比(C/N)条件下,改性电极的应用对BER体系的脱氮效能、电极表面生物相和体系微生物群落结构等方面的影响.结果表明,应用PTh与AQDS协同处理石墨毡的BER体系的NO~-_3-N去除速率和效能均明显优于未处理电极体系,在HRT=4 h、C/N为2.0时NO~-_3-N的去除率达到90.0%以上.PTh/AQDS改性石墨毡电极的生物膜与电极的比重为0.26±0.04,其值为对照组的2.4倍,证明了PTh/AQDS改性后电极具有更优的生物相容性.应用PTh/AQDS改性电极的BER具有更好的微生物丰富度和多样性,AQDS促进了特定微生物Thauera_mechernichensis(24.6%)的富集和亚硝酸盐还原酶的活性,保障了BER体系的反硝化效能.     

微生物燃料电池恒电流预培养阳极生物膜分析表征

阳极性能是影响微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)性能的关键因素之一,同时阳极的接种挂膜过程是影响微生物燃料电池启动效率的关键因素.因此,本课题组提出了预培养阳极作为微生物燃料电池的一种新型阳极的概念,在三电极体系下,通过外加恒定电流预培养阳极,在不同条件下对阳极表面进行电化学选择和生物膜驯化以丰富生物膜结构和厚度.结果表明,阳极的性能与预培养电流大小密切相关,预培养阳极CF-4i(外加4 A·m-2电流密度)通过循环伏安法、塔菲尔曲线、电化学阻抗谱测试,性能好于其他测试组及对照组,装配阳极CF-4i的微生物燃料电池能实现最大功率密度968.20 m W·m-2,是对照组的2.53倍.同时,通过共聚焦显微镜观察发现,生物膜大体分两层,外层的活细胞及内层的死细胞,外层活细胞长在内层死细胞之上.这种结构分布表明,阳极生物膜中的活细胞部分绝大多数都分布于生物膜的外侧,而不是均布于整个阳极生物膜中;同时这也表明不是整个阳极生物膜都具有新陈代谢活性,但死亡的细胞可以继续积累在电极表面附近,活的外层膜负责电流的产生,而内层的死细胞作为一种导电基质.     

新型三维多孔光热材料制备及其高盐废水处理应用

高盐废水处理存在处理难度大和能耗成本高等问题.近年来发展的界面光蒸汽水处理技术以绿色、高效和低能耗等特点成为了目前水资源回收利用领域的研究热点.本研究以纤维状结构的碳化氮（h-CN）修饰石墨烯（r-GO）,通过水热反应制备了新型三维多孔石墨烯复合材料（3D h-CN/r-GO）,并以硝基苯和苯酚作为模拟污染物,考察了其光热蒸发处理高盐废水的性能.研究结果表明,所制备的3D h-CN/r-GO材料具备宽光谱吸收范围和多级孔道结构,并呈现出快速热响应的特点.在模拟太阳光照条件下,光蒸汽转化效率可达90.4%.并且在处理过程中可实现硝基苯和苯酚等常见挥发性污染物的吸附,其吸附容量分别为67.6 mg·g^-1和57.5 mg·g^-1.而且,3D h-CN/r-GO可实现长时间稳定的光热水体蒸发回收,且对污染物及盐分截留率高达98%左右,冷凝水体达到污水处理的排放标准.因此,本研究为高盐废水的低能耗和低成本处理提供了一种新的技术.     

Hydrogen gas production in a microbial electrolysis cell by electrohydrogenesis

Electrohydrogenesis is a bio-electrochemical process where organic material is microbially oxidized to protons and electrons, which in turn are reduced to form hydrogen gas (H₂). The reactor in which these reactions occur is termed a microbial electrolysis cell (MEC). The microorganisms that colonize the anode are known as electricigens and behave as biological catalysts, significantly reducing the energy required to drive this process. Electricigens are capable of complete substrate degradation, leading to very high cathodic H₂ recovery efficiencies from sources previously considered organic waste. In this short review, the origination of the bio-electrochemical system (BES) is introduced, mechanisms for electron transfer between microbe and electrode are discussed, the challenges these electrochemical systems face are presented, and finally an overview of current MEC systems and their respective performance is evaluated. Electrohydrogenesis has established itself as a promising technology for sustainable H₂ production from renewable sources.