阴极电子受体对微生物燃料电池性能的影响

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1、阴极电子受体对微生物燃料电池性能的影响    谷 玺， 田兴军    （南京大学 生命科学学院， 江苏 南京 210093）    摘 要： 以双室型微生物燃料电池为试验装置，比较铁氰化钾、重铬酸钾、高锰酸钾作为阴极电子受体时微生物燃料电池的电压和功率输出。 结果表明，高锰酸钾与重铬酸钾混合电子受体对微生物燃料电池性能的提高没有显著效果，不如两者的单独表现；高锰酸钾对应的最高输出电压可达 1 160 mV，但很不稳定，会很快下降到600 mV 左右，在实际应用中有一定障碍；在酸性条件（pH=3.0）下，重铬酸钾的开路电压为 1

2、 081.2 mV，最大输出功率密度为35.1 W/m3，电池内阻为 170.27 Ω，而且表现稳定，是理想的阴极电子受体。    关键词： 微生物燃料电池； 阴极电子受体； 输出电压； 最大功率密度    中图分类号： TK6； TM911.4 文献标志码： A 文章编号： 1671-5292（2012）03-0092-05    0 引言    微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells， MFC）是一种以微生物为阳极催化剂， 将化学能直接转化成电能的生物装置。 随着化石燃料供应的日趋紧张， 成本的不断提高，

3、 以及节能减排低碳的要求， 微生物燃料电池作为一种可再生能源已经引起了人们越来越多的关注[1]。    微生物燃料电池大多分为单室型和两室型，本文使用的是一种典型的两室型微生物燃料电池装置，由阴极室和阳极室组成，两室之间由质子交换膜分隔[1]~[4]。 目前，微生物燃料电池在装置的设计、电极材料、质子交换膜等方面已经有了很大的改善[3]，[6]~[10]，但是电池的功率输出仍然需要进一步的提高。为了提高微生物燃料电池的性能，不断寻找和培育产电能力较强的菌株以及选择合适的阴极电子受体是非常重要的。 Shewanella putr

4、efa-ciens 是目前研究较多，已发现较为理想的发电菌株[3]，[5]。据报道，Shewanella putrefaciens 可以附着在阳极电极材料上，并形成一种纳米导线[3]，[11]，连接菌体和电极， 同时可以分泌一种胞外电子传递介质[3]，[12]。目前，常用的阴极电子受体主要有氧气、铁氰化钾、高锰酸钾、重铬酸钾等[13]~[16]。由于氧气在水中溶解度低， 因此限制了它在微生物燃料电池中的应用。 铁氰化钾在微生物燃料电池中得到了较为广泛的应用，但其不足之处是标准电极电势较低。高锰酸钾和重铬酸钾在酸性环境具有更强的

5、氧化性和更高的还原电位[16]，作为电子受体会有更好的表现， 但是国际上相关报道还比较少。    本研究将以双室型微生物燃料电池为试验装置，Shewanella putrefaciens为产电微生物， 比较铁氰化钾、重铬酸钾、高锰酸钾以及重铬酸钾与高锰酸钾混合作为不同阴极电子受体对微生物燃料电池性能的影响， 以期获得更高更稳定的电压输出和功率输出，提供更多的试验和数据参考。    1 试验材料与方法    1.1 微生物燃料电池装置    试验所用微生物燃料电池装置是由有机玻璃制成的长方形的阴极室和阳极室 （每一室皆为长5 c

6、m，宽 2.5 cm，高 4 cm，容积 50 mL）构成 ，阴极室、阳极室间由质子交换膜（DuPont Nafion117）隔开，试验装置如图1 所示。 阴、阳极皆使用碳布（4cm×5 cm）作为惰性电极，用铜导线将外电路连接起来。        1.2 菌种及其培养条件    产电微生物选用Shewanella putrefaciens，购买自中国工业微生物菌种保藏管理中心， 菌种编号CICC 22940。 菌株在 25 ℃下于 LB 培养基中（pH 7.0）恒温振荡培养36 h，然后将菌悬液转入厌氧处理的LB 培养基中 

7、（包含 4.0 g/L 葡萄糖），温度25 ℃，pH 7.0，培养 36 h。    1.3 阴极液及电子受体    阴极室溶液为50 mmol/L 磷酸钠缓冲溶液（pH 7.0）+0.1 mol/L NaCl。阴极液为50 mL 磷酸钠缓 冲 液+ 0.1 mol/L NaCl +20 mmol/L 电 子 受 体（0.001 mol）。电子受体分别为铁氰化钾、 重铬酸钾、高锰酸钾、重铬酸钾与高锰酸钾 1∶1 混合。 微生物燃料电池稳定运行并记录数据90 h 后，更换阴极室阴极液。根据赵庆良的研究，高锰酸钾、重铬酸钾等电子受

8、体在酸性条件下具有更好的氧化性，但是酸性太强时，高锰酸钾表现出的强氧化性会对质子交换膜造成一定的腐蚀和损害[16]。因此，我们调节更换的阴极液初始pH 为 3.0，其他条件不变。    1.4 测定项目与方法    电压使用8 通道 AD 信号采集器与笔记本电脑相连，每 20