微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展

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1、微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展第28卷第22期2012年11月中国给水排水CHINAWATER&WASTEWATERVol.28No.22Nov.2012檲檲殘檲檲檲檲檲檲櫚檲檲殘檲檲殘述评与讨论MFC)是近微生物燃料电池(Microbialfuelcell,21037002)基金项0:国家自然科学基金资助项0(21107053、•5.第28卷第22期屮国给水排水www.watergasheat.com关于该技术的大部分研究还停留在实验室阶段，一个重要原因是大型化后功率密度过低和成木过高。因此，如何

2、提高功率密度、降低成木是MFC技术0前妞临的关键瓶颈问题。一个典型的MFC通常由[2]阳极、阴极和分隔介质构成，为了降低内阻提高[3]MFC的功率，可以将分隔介质从体系中移除。因22功率密度由0.6W/m升高到4.31W/m。Chaud-dhuri等[9]研究发现在双室恒电位条件下(+200mV,Ag/AgCI作参比)，以Rhodoferaxferrireducens为接种微生物，通过增加二维阳极的几何面积可提高电流产出；以单位面积的电流密度和细胞总景作为石墨毡和石墨棒两种材料的效果几乎评价标准时，2细胞

3、总量为0.032相同（电流密度为28〜32mA/m，〜0.047mg蛋白质/cm2）。Zhao等[10]在脱硫MFC此，阳极和阴极是影响MFC性能和成本的最关键部分。其屮阳极既是电化学活性微生物（也称作产电菌）的附着载体，也是阳极电子传递的关键位点[4]阳极电子传递过程屮影响传递速率的关键步骤包括：①底物向细胞膜内的扩散（扩散速率以K1表示）；②细胞之间接触位点的电子传递（传递速率以K2表示）；③细胞通过直接接触（包括一些细胞附属物）或中介体向阳极的电子传递（传递速率以K3表示）。MFC的总电流是由上述三

4、个步骤电子传递速RabaeyK等[5]认为MFC电流密度率井同决定的，〉50mA/cm2时，底物的扩散速率（K1）方可能成为[5]影响电流输出的主要因素。然而目前报道的MFC功率密度为0.5〜lmA/cm2,远低于上述扩散屮分别以高比表面积活性碳布、石墨片和碳纤维纱为阳极材料考察阳极对硫化物的氧化特性。结果表明，与石墨片和碳纤维纱相比，活性碳布对硫化物具有良好的吸附和氧化特性，对硫酸盐（浓度为3.03g/L）的去除率高达99%，最高功率密度达到5.lW/m2o尽管碳布材料具有良好的性能，然而过高的2成本（

5、1000美元/m）限制了其应用。笔者在2009年发现并报道了碳纤维布材料的成本只有碳布的21/40,功率密度（893mW/m）却高于碳布材料（811mW/m2）[11]，该材料有望在未来大型化MFC中得到应用。1.2三维碳基材料与二维材料相比，颗粒堆电极和碳（石墨）刷电极能够为产电菌的生长提供更大的表面积。石墨颗粒被广泛地应用于填充床MFC中，收集的电子由石墨棒导出。由于底物在颗粒堆电极内部扩散阻力较大，通常需要设置回流装置来保证一定的水剪切力，从而保证底物顺利输送到阳极内部颗粒的生物膜表面。尽管该体系的

6、功率密度较高，但同吋也要考虑废水循环导致的额外能量消耗。石墨（碳）刷是S前为止最佳的三维阳极材料之一，它是由钛丝束紧的石墨纤维组成，最大程度地增加阳极的比表面积且导电性良好，钛丝起到电子收集器的作用。由于碳基纤维在水中既能良好地伸展，又具有一定的柔韧性，该体系通常不需要回流装置。使用石墨刷为2阳极获得的屯流密度高达0.82mA/cm,功率密度2[12]。在世界上首台大型化的微生物达到2.4W/m在MFC中底物扩散速率并不是影响极限电流密度，阳极性能的主要因素。因此，细胞间电子传递速率和电极一细胞界面的电子

7、传递是限制功率进一步提升的关键。其屮电极一细胞界面电子传递过程是由细胞膜表血具有传递电子功能的蛋白和阳极材料表阳极材料对加面物理化学特性共同决定的。因此，速电子传递、提高MFC整体性能至关重要。优良的MFC阳极材料要满足价廉、抗腐蚀（惰性）、比表面积大、亲水、无生物毒性和高电导率等要求。目前，碳基材料是研究最多也是未来最可能应用的一类阳极材料。11.1碳基材料的最新研究进展二维碳基材料最常用的二维碳基材料包括碳纸、碳布、碳（石[6]墨）毡、碳（石墨）板和碳纤维布等。由于碳纸成本较高且易折断,随后设计的MF

8、C中大多使用柔性2碳布代替碳纸，其最大功率密度（766mW/m）与碳2[7]纸阳极（720mW/m）基本相同。由于石墨板和电解池（Microbialelectrolysiscell，MEC）系统中，使[13]用的就是石墨刷状阳极和平板阴极。1.3纳米碳材料纳米碳材料的应用除了能进一步增大阳极的微观表面积和MFC的输出功率外，还可能在细胞与电极接触的微观界面上促进微生物向阳极的电子传递。冃前已报道的纳米碳材料包括碳纳米管、纳米易