陽(yáng)極雙電層電容對(duì)微生物燃料電池性能的影響

葉遙立，郭劍，潘彬，成少安

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陽(yáng)極雙電層電容對(duì)微生物燃料電池性能的影響

葉遙立，郭劍，潘彬，成少安

（浙江大學(xué)能源工程學(xué)系，能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310027）

采用3種活性炭粉制備具有不同電容的陽(yáng)極，研究了雙電層電容陽(yáng)極對(duì)單室空氣陰極微生物燃料電池啟動(dòng)、運(yùn)行、性能、陽(yáng)極生物膜附著的影響。結(jié)果表明：當(dāng)電極表面積相近的情況下，陽(yáng)極雙電層電容從0.0012 F增加到22.72 F時(shí)，微生物燃料電池啟動(dòng)時(shí)間縮短了68.0%，電池的最大功率密度增加了16.8倍，達(dá)到546.1 mW·m-2。掃描電子顯微鏡的結(jié)果表明高電容的陽(yáng)極表面附著的微生物量比低電容電極的高1倍。因此，微生物燃料電池性能受陽(yáng)極雙電層電容的影響，而與陽(yáng)極表面積的相關(guān)性小。

陽(yáng)極；雙電層電容；生物膜；產(chǎn)電功率；微生物燃料電池

引 言

微生物燃料電池（MFC）是一種利用微生物催化氧化有機(jī)物產(chǎn)生電能的裝置，具有處理廢水同時(shí)產(chǎn)生電能的特性，在近十年得到了廣泛的關(guān)注和研究。經(jīng)過(guò)十多年的研究，MFC的輸出功率提高了近5個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到6.9 W·m-2[1]，但這一功率密度與理論最大功率密度（17 W·m-2）[2]仍有一定的差距，提高電池輸出功率仍是MFC實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

影響MFC功率輸出的因素主要有電解質(zhì)、隔膜、外電阻和外電路、電極材料和結(jié)構(gòu)、電池結(jié)構(gòu)[3]。提高電解質(zhì)離子強(qiáng)度（從100 mmol·L-1到400 mmol·L-1）和減小陰陽(yáng)極間距（從4 cm到2 cm），可使MFC功率密度顯著增加[4]；而使用陰離子膜[5-6]和陽(yáng)離子膜[6]引起MFC內(nèi)阻增加和陰陽(yáng)極室pH變化，導(dǎo)致輸出功率的下降[7]；采用大電阻啟動(dòng)MFC其最大功率密度比小電阻啟動(dòng)的高[8]；利用基于電容的儲(chǔ)能電路可以提高M(jìn)FC產(chǎn)生電能的使用效率[9]；優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)[10-13]和串并聯(lián)運(yùn)行[14]也可以在一定程度上提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能。對(duì)MFC陽(yáng)極的研究是提高M(jìn)FC產(chǎn)電性能的關(guān)鍵。MFC陽(yáng)極材料通常采用具備良好導(dǎo)電性、生物兼容性和化學(xué)穩(wěn)定性的碳材料[15]，如碳布[1]、碳?xì)諿16]、碳刷[17]和碳纖維網(wǎng)[18]。為了進(jìn)一步提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能，通常還對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行適當(dāng)修飾，如用中孔碳粉修飾碳紙，發(fā)現(xiàn)MFC功率密度提高了81%，且電池啟動(dòng)時(shí)間減少了68%，電池性能的增加被認(rèn)為是中孔炭增加了陽(yáng)極活性表面積和電子傳遞速率，使陽(yáng)極的反應(yīng)電阻從300 Ω下降到99 Ω[19]；采用電沉積RuO2修飾碳?xì)株?yáng)極，使MFC功率密度提高16倍，達(dá)到3.08 W·m-2，功率的增加被認(rèn)為是RuO2對(duì)細(xì)菌的產(chǎn)電活性有電化學(xué)促進(jìn)作用[20]；將Fe3O4摻雜的活性炭粉壓到不銹鋼網(wǎng)上作為陽(yáng)極，使MFC最大功率密度從664 mW·m-2提高到809 mW·m-2，陽(yáng)極性能的提高可能與電容的增加有關(guān)[21]；而以5.0%納米a-FeOOH摻雜活性炭制備陽(yáng)極時(shí)，MFC最大功率密度達(dá)到693 mW·m-2[22]，其性能與陽(yáng)極表面電容和傳質(zhì)有關(guān)。

具有高比表面積的中孔炭是早期使用的超級(jí)電容器電極材料，RuO2、a-FeOOH、Fe3O4等金屬氧化物常用于超級(jí)電容器的添加劑來(lái)提高電容器的儲(chǔ)電能力。雙電層電容是由于在電解質(zhì)和電極接觸界面上因電荷轉(zhuǎn)移、帶電粒子和偶極子的吸附和電離等界面作用使帶電物質(zhì)定向排列在界面兩邊，形成電勢(shì)差。材料的比電容與材料比表面積有關(guān)，但不呈線(xiàn)性關(guān)系[23]，因?yàn)檩^小的孔隙對(duì)雙電層電容沒(méi)有貢獻(xiàn)。在微生物燃料電池中，陽(yáng)極性能受到陽(yáng)極附著的微生物膜的影響，而生物膜的附著與陽(yáng)極表面特性相關(guān)，但是，陽(yáng)極性能與雙電層電容和比表面積的關(guān)系，還不明確。

本文采用不銹鋼網(wǎng)負(fù)載不同活性炭粉制備具有不同雙電層電容的陽(yáng)極，研究了不同陽(yáng)極MFC的啟動(dòng)、產(chǎn)電和陽(yáng)極生物膜附著性能，結(jié)果表明MFC性能主要受陽(yáng)極雙電層電容的影響，而與陽(yáng)極表面積的相關(guān)性小。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 微生物燃料電池陽(yáng)極的制備

首先將活性炭粉與30%的聚四氟乙烯（PTFE）按1 mg:2ml的比例混合，并加入適量的異丙醇振動(dòng)混合（QT-2漩渦混合器），將形成的混合物均勻涂覆到不銹鋼網(wǎng)上；在室溫下干燥10 min后，將電極在370℃下加熱30 min（程控箱式電爐SXL-1016）；取出加熱好的電極，冷卻至室溫；然后將冷卻后的電極放入97%異丙醇內(nèi)浸漬20 h，取出電極用去離子水沖洗數(shù)次，最后將清洗完的電極在烘箱中80℃烘干制得實(shí)驗(yàn)電極。本實(shí)驗(yàn)采用3種活性炭粉，2種不同的304不銹鋼網(wǎng)（不銹鋼網(wǎng)1和2，孔徑分別為4.25 mm和2.50 mm）制備4種電極：不銹鋼網(wǎng)1載粒徑為5mm超級(jí)電容器活性炭（比表面積2000 m2·g-1）電極（35SCC）；不銹鋼網(wǎng)1載粒徑為20 nm活性炭（比表面積1600 m2·g-1）電極（20Nano）；不銹鋼網(wǎng)1載粒徑為200 nm活性炭（比表面積1350 m2·g-1）電極（200Nano）；不銹鋼網(wǎng)2載粒徑為5mm超級(jí)電容器活性炭（比表面積2000 m2·g-1）電極（60SCC）。

1.2 微生物燃料電池的啟動(dòng)和運(yùn)行

反應(yīng)器采用單室空氣陰極立方形MFC（內(nèi)腔體直徑為3 cm，長(zhǎng)4 cm，有效體積為28 ml）。空氣陰極按文獻(xiàn)[24]報(bào)道的方法制備，并置于反應(yīng)器腔體的一側(cè)；陽(yáng)極為上述制備的具有不同電容的電極，陽(yáng)極置于反應(yīng)器腔體的另一側(cè)，陰陽(yáng)電極間距為4 cm，陰極和陽(yáng)極的有效表觀(guān)表面積均為7 cm2。MFC的接種液為運(yùn)行了兩年的空氣陰極MFC的倒出液，反應(yīng)器以接種液和含1 g·L-1乙酸鈉的營(yíng)養(yǎng)液按1:1混合的混合液?jiǎn)?dòng)，外電阻為1000W。當(dāng)反應(yīng)器平臺(tái)電壓值連續(xù)3個(gè)周期達(dá)到相近時(shí)，電池啟動(dòng)完成。實(shí)驗(yàn)用營(yíng)養(yǎng)液為含有12.5 ml·L-1礦物質(zhì)[25]的50 mmol·L-1PBS緩沖溶液（pH 6.8，電導(dǎo)率6.8 mS·cm-1，含NH4Cl 0.31 g·L-1、KCl 0.13 g·L-1、NaH2PO4·2H2O 2.75 g·L-1、 Na2HPO4·6H2O 11.466 g·L-1）。電池啟動(dòng)后，在1000W下繼續(xù)運(yùn)行20個(gè)周期以上，然后測(cè)試電池的極化曲線(xiàn)和功率曲線(xiàn)。所有的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試均在（30±2）℃下進(jìn)行。

1.3 電化學(xué)分析測(cè)試方法

MFC極化曲線(xiàn)和功率曲線(xiàn)采用變電阻法測(cè)試，外電阻的變化值分別為5000、1000、500、300、200、100W，每個(gè)電阻下運(yùn)行的時(shí)間為20 min，在本文中電極電位值均相對(duì)于Ag/AgCl參比電極[+197 mV(. SHE)]。

采用控制電流暫態(tài)階躍法測(cè)試陽(yáng)極的雙電層電容[26]。測(cè)試采用三電極體在電化學(xué)工作站（CHI 660D，CH Instrument Inc, China）上進(jìn)行，陽(yáng)極作為工作電極，鉑電極作為對(duì)電極，Ag/AgCl作為參比電極，電解質(zhì)為50 mmol·L-1PBS緩沖液，階躍電壓為1 mV，測(cè)試時(shí)間為9000 s。雙電層電容d、溶液電阻s和反應(yīng)電阻ct按式（1）～式（3）求得[26]

式中，s表示溶液電阻，ct表示反應(yīng)電阻，為lg（i）與線(xiàn)性關(guān)系的斜率（為瞬時(shí)電流，為時(shí)間，i為終電流）。

1.4 電極表面生物膜形貌分析

測(cè)試MFC功率曲線(xiàn)和極化曲線(xiàn)后（電池總運(yùn)行約25周期），不同雙電層電容的陽(yáng)極表面生物膜的特征采用掃描電子顯微鏡（SEM）分析。分析樣品首先進(jìn)行如下預(yù)處理：陽(yáng)極經(jīng)2.5%戊二醛固定4 h；用0.1 mol·L-1磷酸緩沖液洗滌3次，每次間隔15 min；經(jīng)鋨酸固定20 min；依次用不同濃度的乙醇脫水（乙醇濃度分別為30%、50%、70%、85%、90%、95%、100%、100%），每次間隔15 min；用乙酸異戊酯與酒精混合液（1:1）處理20 min；最后用乙酸異戊酯處理20 min。樣品干燥后，表面進(jìn)行鍍金處理。樣品的表面形貌分析在掃描電子顯微鏡（Zeiss ULTRA 55，德國(guó)）上進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 活性炭電極的雙電層電容

表1為不同活性炭電極的測(cè)定雙電層電容和計(jì)算電極活性炭表面積（通過(guò)活性炭粉的比表面積與其載量的乘積估算）。從表中可以看出，在電極活性炭表面積相近的情況下(200 Nano、20 Nano和60SCC 3種電極)，由于納米導(dǎo)電碳材料（200 Nano和20 Nano）具有微孔結(jié)構(gòu)，超級(jí)電容器活性炭材料（60SCC）具有豐富的中孔結(jié)構(gòu)，而電極雙電層電容主要與碳材料中孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，微孔結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)小，因此，60SCC電極具有最高的雙電層電容，分別是200Nano和20Nano電極的約19000倍和200倍。而對(duì)同一類(lèi)活性炭，當(dāng)活性炭載量（活性炭表面積）增加60%時(shí)（60SCC對(duì)35SCC），電極雙電層電容增加了62.7%。這些結(jié)果表明，負(fù)載不同的活性炭粉的陽(yáng)極具有不同的雙電層電容，而電極材料的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)陽(yáng)極雙電層電容的影響遠(yuǎn)大于電極材料表面積對(duì)陽(yáng)極雙電層電容的影響。

表1 不同電極的雙電層電容值

2.2 雙電層電容對(duì)微生物燃料電池啟動(dòng)和運(yùn)行影響

圖1為不同雙電層電容電極作為陽(yáng)極的MFC啟動(dòng)曲線(xiàn)。從圖1可以看出，電池的啟動(dòng)時(shí)間隨雙電層電容的減小而增加。35SCC陽(yáng)極具有最大的雙電層電容，其構(gòu)成的MFC的啟動(dòng)時(shí)間最短，僅為80 h。當(dāng)雙電層電容從22.72 F減小到13.96 F時(shí)，60SCC電池的啟動(dòng)時(shí)間增加了87.5%，達(dá)到150 h。進(jìn)一步降低雙電層電容，20Nano電池的啟動(dòng)時(shí)間增加到250 h，而200Nano電池的啟動(dòng)時(shí)間超過(guò)250 h。從圖1還可以看出，當(dāng)雙電層電容降低到較小值時(shí)，陽(yáng)極雙電層電容對(duì)電池啟動(dòng)的影響減弱。電極雙電層電容和表面積均與碳材料的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，電極雙電層電容主要與碳材料中孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，微孔結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)?。欢缺砻娣e與中孔和微孔結(jié)構(gòu)均相關(guān)。無(wú)論是中孔和微孔，其孔隙均不能容納尺寸為2～3mm的細(xì)菌，因此，中孔結(jié)構(gòu)碳材料陽(yáng)極比微孔結(jié)構(gòu)碳材料陽(yáng)極易啟動(dòng)并不是由于孔隙大小的增加，

而是由于中孔結(jié)構(gòu)碳材料陽(yáng)極具有較大的雙電層電容，大的雙電層電容特性有利于帶電粒子的吸附，因此，中孔結(jié)構(gòu)的活性炭陽(yáng)極有利于帶電細(xì)菌（通常帶負(fù)電）的附著；而微孔結(jié)構(gòu)的納米碳陽(yáng)極具有較小的雙電層電容，不利于細(xì)菌吸附或吸附力弱易脫附。因而，細(xì)菌在陽(yáng)極表面的吸附成膜與電極的比表面積和孔隙大小沒(méi)有直接關(guān)系，而主要與電極的雙電層電容有關(guān)。

MFC啟動(dòng)完成后，電池在1000W的外電阻下運(yùn)行的電壓雖然隨陽(yáng)極雙電層電容的增加而增加，但除了200Nano以外，其他3種電池（35SCC、60SCC和20Nano）的平臺(tái)電壓相近，分別為（437±7）mV、（426±6）mV和（410±10）mV。而200Nano電池的電壓僅為（100±10）mV，200Nano電池的電壓低是由于陽(yáng)極的電容小造成的，陽(yáng)極的電容小說(shuō)明電極表面對(duì)帶電物質(zhì)吸附定向排列的作用小，造成微生物很難在陽(yáng)極表面附著或微生物易脫附。文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)電極表面含有帶正電的官能團(tuán)時(shí)，微生物易于在電極表面吸附成膜[27]。

2.3 陽(yáng)極雙電層電容對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電功率的影響

陽(yáng)極雙電層電容也影響微生物燃料電池產(chǎn)電功率[圖2(a)]。陽(yáng)極電容大的電池產(chǎn)電功率高，如電容為22.72 F時(shí)（35SCC陽(yáng)極），MFC的最大功率密度為546.1 mW·m-2，當(dāng)電容減小到13.96 F（60SCC電池）時(shí)，電池最大功率為468.1 mW·m-2，降低了14.3%；當(dāng)電容進(jìn)一步降低到0.114 F時(shí)（20Nano電池），電池最大功率下降33.3%，僅為364.1 mW·m-2；而當(dāng)電容非常?。?00Nano電池）時(shí)，電池最大功率僅30.7 mW·m-2，下降了94.4%。從電極的極化曲線(xiàn)[圖2(b)]看，所有MFC的陰極性能相近，而陽(yáng)極性能差異較大，表明電池產(chǎn)電功率的差異是由于陽(yáng)極性能的差異造成的。陽(yáng)極性能隨陽(yáng)極雙電層電容的增加而增加。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[28]，活性炭纖維電極的雙電層比電容為70 F·g-1，與本文中35SCC比電容為同一數(shù)量級(jí)。而使用丙酮清洗過(guò)的碳纖維材料作為陽(yáng)極的功率密度為624 mW·m-2[18]，與本文中的35SCC電極的功率（546.1 mW·m-2）也是相近的。

4種陽(yáng)極的極化電阻（陽(yáng)極電位與電流密度關(guān)系曲線(xiàn)的斜率）分別為2257.5W、177.7W、117.6W和70.2W，陽(yáng)極極化電阻與雙電層電容呈反相關(guān)。

從不同活性炭粉的表面積、雙電層電容和產(chǎn)電功率密度的關(guān)系[圖2(c)]看，電池的產(chǎn)電功率與陽(yáng)極的雙電層電容相關(guān)性好，而與陽(yáng)極活性炭表面積的相關(guān)性差。如對(duì)200Nano、20Nano和60SCC電池，三者陽(yáng)極活性炭表面積相近[（510±30）m2]，但電池的產(chǎn)電功率相差可達(dá)35%，電池的產(chǎn)電功率與陽(yáng)極雙電層電容差異是一致的。

2.4 陽(yáng)極生物膜表面形貌

圖3為陽(yáng)極生物膜表面SEM照片。從圖3可以看出，在雙電層電容高的35SCC陽(yáng)極上，生物膜厚且致密，生物膜已完全覆蓋活性炭表面[圖3（b）]。而在雙電層電容極低的200Nano陽(yáng)極表面，生物膜薄，生物膜沒(méi)有完全覆蓋電極表面，可清晰觀(guān)察到裸露活性炭表面[圖3(a)]。生物膜截面觀(guān)察分析表明：35SCC陽(yáng)極表面的生物膜平均厚度為259.2mm，而200Nano陽(yáng)極上生物膜平均厚度僅為127.5mm。結(jié)果表明雙電層電容能促進(jìn)陽(yáng)極生物膜的生長(zhǎng)，提高陽(yáng)極性能，從而使MFC產(chǎn)電功率增加。

研究結(jié)果顯示具有豐富中孔結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容器活性炭制備的陽(yáng)極其雙電層電容大，有利于陽(yáng)極生物膜的生長(zhǎng)，陽(yáng)極具有高的產(chǎn)電性能，本文的研究結(jié)果為今后開(kāi)發(fā)高性能陽(yáng)極提供了新思路。今后的研究可重點(diǎn)開(kāi)發(fā)新的陽(yáng)極修飾材料和新的修飾方法以改變電極孔隙結(jié)構(gòu)提高陽(yáng)極雙電層電容，從而開(kāi)發(fā)出高性能的MFC陽(yáng)極。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)不銹鋼網(wǎng)上載不同活性炭粉的方式制備具有不同雙電層電容的陽(yáng)極，研究了雙電層電容陽(yáng)極對(duì)MFC啟動(dòng)和產(chǎn)電性能的影響。結(jié)果表明：隨著雙電層電容值的增大，MFC電池啟動(dòng)時(shí)間縮短；雙電層電容大的陽(yáng)極表面形成的生物膜厚且均勻，表明增大雙電層電容有助于微生物在陽(yáng)極上吸附成膜。研究結(jié)果還表明：隨雙電層電容增加，陽(yáng)極極化電阻減小，MFC的功率密度增加，雙電層電容高的陽(yáng)極MFC（35SCC電池）的最大功率密度比雙電層電容低的陽(yáng)極MFC（200Nano電池）的高16.8倍。MFC性能與陽(yáng)極雙電層電容關(guān)聯(lián)性高，而與陽(yáng)極的表面積相關(guān)性低。本文結(jié)果為開(kāi)發(fā)高性能微生物燃料電池陽(yáng)極提供了新思路。

符 號(hào) 說(shuō) 明

a——lg（i-it=∞）與t線(xiàn)性關(guān)系的斜率 Cd——雙電層電容，F(xiàn) i——響應(yīng)電流，A Rs,Rct——分別為溶液電阻和反應(yīng)電阻，W t——響應(yīng)時(shí)間，s DV——階躍電壓，mV

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Effect of anode double-layered capacitance on performance of microbial fuel cell

YE Yaoli，GUO Jian，PAN Bin，CHENG Shao’an

(State Key Laboratory of Clean Energy, Department of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China)

The performance of a microbial fuel cell (MFC) is influenced by the anode biofilm with electrochemical activity, while the formation of anode biofilm greatly depends on the anode surface characteristics. To investigate how the two main characteristics of anode surface, surface area and double-layered capacitance, influence MFC performance, three kinds of activated carbon materials were used to make anodes with different double-layered capacitance values. The startup and operation performance of MFCs with those anodes were evaluated in the single-chamber air-cathode MFCs. When anode double-layered capacitance increased from 0.0012 F to 22.72 F, MFC starting up time decreased by 68% and maximal power density of MFC increased by 16.8 times to 546.1 mW·m-2. The images of scanning electron microscope (SEM) demonstrated that the biofilm formed on the anode with large capacitance was approximately one time thicker than that on the anode with small capacitance. Anode performance was directly influenced by anode double-layered capacitance other than anode surface area.

anode；double-layered capacitance；biofilm；power generation；microbial fuel cell

2014-06-30.

Prof.CHENG Shao’an, shaoancheng@zju. edu. cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20140978

X 382

A

0438—1157（2015）02—0773—06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51278448）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2011AA060907，2012AA051502）。

2014-06-30收到初稿，2014-11-21收到修改稿。

聯(lián)系人：成少安。第一作者：葉遙立（1988—），男，碩士研究生。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51278448), the National High Technology Research and Development Program of China(2011AA060907，2012AA051502).