[01843486]微生物燃料电池三维多孔阳极的构建

微生物燃料电池（microbial fuel cells,以下简称MFCs）是利用微生物的新陈代谢氧化化学物质并释放电子,把化学能转化为电能的一种电化学装置。由于MFCs具有“去污”和“产电”双重功能,因此近年来受到全球科学家们的广泛关注。其最具潜能的应用是污水处理。阳极性能是决定MFCs性能的一个极其重要的因素。MFCs的阳极主要用于生长微生物（主要为细菌）,并将微生物体内的电子输送至外电路。因此,其MFCs阳极的性能很大程度上由其中生长的微生物膜的密度决定。 MFCs阳极中微生物膜的密度（单位面积或体积内生长的微生物数量）与电流密度成正比,微生物膜密度越大,释放的电子数越多,则电流密度越大。阳极中微生物膜的生长密度主要决定于有效的表面积、传质的效率（底物和质子的传递）以及电子的传递速度（呼吸作用）。细菌的尺寸大小在微米级（直径约为0.5微米,长度为1～2微米）,并以群落的方式生长形成微生物膜。因此,阳极材料中的孔径只有尺寸远大于细菌尺寸的孔隙才能被微生物膜有效利用。传统多孔结构的碳材料已被广泛用于MFCs阳极,它们产电效率有限,远不能满足实际应用的需要,难以规模化应用。因此,提高MFCs的阳极性能最主要的措施之一是构建三维多孔的阳极结构,以促进电活性微生物在阳极上的富集,提高电流密度。 本研究主要目的是构建MFCs的三维多孔阳极,促进电活性微生物在阳极上的富集,从而提高阳极的电流密度。本成果采用两种方法来构建了MFCs的三维多孔阳极：（1）采用静电纺丝和高温碳化的方法制备三维电纺碳纤维膜;（2）采用直接碳化天然木质纤维素的方法构建三维多孔碳材料。开发了基于天然纤维素纸板的三维碳阳极,其电流密度高达到了400Am-2,是同期文献报道的10倍;而且该材料成本低,易于放大。因此本成果将可推进MFCs 在污水处理中的应用。 基于本项目的研究,发表了多篇具有国际影响力的论文,论文影响因子都大于4.0,其中2篇在Energy ＆ Environmental Science,影响因子9.6。