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基于直接电子传递的微生物燃料电池中微生物固定化碳纳米颗粒阳极的研究

期刊:Applied Microbiology and BiotechnologyDOI:10.1007/s00253-010-3013-5

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作者及研究机构
该研究由Yong Yuan、Shungui Zhou、Nan Xu和Li Zhuang共同完成。Yong Yuan、Shungui Zhou和Li Zhuang来自广东省生态环境与土壤研究所,Nan Xu来自北京大学深圳研究生院环境与能源学院。研究于2010年12月1日在线发表在《Applied Microbiology and Biotechnology》期刊上。

学术背景
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells, MFCs)是一种通过微生物的催化活性将化学能直接转化为电能的装置。由于其清洁、高效和可再生的特性,近年来受到广泛关注。然而,MFCs在实际应用中的功率密度仍然不足,主要原因是微生物代谢速率较慢以及缺乏有效的电子传递方式。微生物向阳极传递电子的主要策略有两种:直接电子传递(Direct Electron Transfer, DET)和间接电子传递(Indirect Electron Transfer, IDET)。其中,DET因其高效性和适用于连续系统的潜力而更具应用前景。然而,目前常用的生物膜形成方法耗时长且复杂。因此,本研究提出了一种基于碳纳米颗粒(Carbon Nanoparticles)的微生物固定化方法,旨在提高MFCs的阳极效率。

研究流程
研究分为以下几个步骤:
1. 阳极制备:从运行超过一年的MFC中取5 mL溶液,接种到含有1.0 g/L乙酸钠的培养基中培养12小时。通过离心和洗涤获得混合菌群,并将其悬浮于磷酸盐缓冲液中。将0.3 g碳纳米颗粒与5 mL水混合,形成糊状物,再与1.0 g混合菌群混合,并加入1 mL聚四氟乙烯(Teflon)乳液,最终将混合物涂覆在碳布上,制成微生物固定化阳极(CNP/Bacteria阳极)。
2. MFC构建与运行:构建内体积为10 mL的MFC,使用CNP/Bacteria阳极、CNP阳极(无微生物)和原始碳布阳极(CC阳极)进行对比实验。MFC在30°C的恒温箱中运行,通过改变外部电阻(50-7600 Ω)测量功率密度。
3. 电化学测量:使用循环伏安法(Cyclic Voltammetry, CV)验证固定化微生物的直接电子传递,并通过电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)分析MFC的内部电阻。

主要结果
1. 直接电子传递验证:CV结果显示,CNP/Bacteria阳极在无外加电子穿梭体的情况下出现了氧化还原峰,表明固定化微生物与阳极之间发生了直接电子传递。
2. MFC启动时间缩短:使用CNP/Bacteria阳极的MFC在65小时内达到最大稳定电压,而CNP阳极和CC阳极分别需要167小时和180小时。
3. 功率密度提高:CNP/Bacteria阳极的最大功率密度为1,947 mW/m²,显著高于CC阳极的1,479 mW/m²。
4. 阻抗分析:EIS结果显示,CNP/Bacteria阳极的电荷传递电阻和扩散电阻均低于其他两种阳极,表明其电子传递效率更高。

结论
本研究提出了一种基于碳纳米颗粒的微生物固定化方法,成功提高了MFCs的阳极效率。通过固定化微生物,MFC的启动时间显著缩短,功率密度显著提高。电化学分析表明,固定化微生物与阳极之间的直接电子传递是性能提升的关键。该研究为MFCs的实际应用提供了一种简单高效的阳极改进方法。

研究亮点
1. 提出了一种新型的微生物固定化方法,使用碳纳米颗粒作为基质,显著提高了MFCs的阳极效率。
2. 通过CV和EIS验证了固定化微生物与阳极之间的直接电子传递,为MFCs的性能优化提供了理论支持。
3. 研究结果表明,CNP/Bacteria阳极的启动时间和功率密度均优于传统生物膜阳极,具有重要的应用潜力。

其他有价值的内容
研究还探讨了碳纳米颗粒涂层对阳极表面疏水性和粗糙度的影响,进一步解释了其促进微生物附着和电子传递的机制。此外,研究通过对比实验验证了碳纳米颗粒涂层对MFC性能的普遍提升作用,为后续研究提供了重要参考。

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