微生物燃料電池中新型陽極微生物固定方法研究

邢達杰+周蓉+李卓儒

摘 要：利用苯胺/聚乙烯醇復(fù)合導(dǎo)電水凝膠包埋大腸桿菌作為陽極構(gòu)建微生物燃料電池。此電池的最高功率密度超過400mW·m-2，而電池內(nèi)阻則降低到大約151Ω。這證明新的陽極微生物固定方法能夠促進微生物燃料電池性能的提高。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池；導(dǎo)電水凝膠；包埋；內(nèi)阻；功率密度

中圖分類號：Q93 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0067-02

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell， MFC）是一種可以通過微生物的催化作用直接將水中污染物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置[1]。因此，MFC被看做一種能在處理水中污染的同時產(chǎn)生電能的環(huán)境友好的新能源裝置。但由于MFC輸出功率的局限尚沒有得到廣泛的實際應(yīng)用。目前在該領(lǐng)域的研究大多集中于提高MFC性能，其中陽極的材料和結(jié)構(gòu)改進成為熱點之一[2]。

導(dǎo)電聚合物材料因為良好的性能在MFCs陽極改進研究中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果[3]。2012年，Pan等合成出了一種電導(dǎo)率達到0.6S·cm-1的聚苯胺水凝膠[4]。本文中利用聚乙烯醇與這種聚苯胺水凝膠混合形成一種復(fù)合導(dǎo)電水凝膠，并利用該種復(fù)合導(dǎo)電水凝膠包埋大腸桿菌制備了一種結(jié)構(gòu)新穎的MFC陽極，在提高MFC功率及降低內(nèi)阻方面取得了較好效果。

1 材料與方法

1.1 微生物電極制備

在2.0mL4%的聚乙烯醇溶液中加入0.46mL苯胺和0.92 mL50%的植酸配置成溶液A。稱取0.25g過硫酸銨溶解于0.5mL去離子水中制得溶液B。在溶液A中加入20mg大腸桿菌后，將A、B兩種溶液冷卻至4℃后混合，至于-10℃下2h，凝固于4℃下融化，反復(fù)三次形成包埋有大腸桿菌的綠色導(dǎo)電水凝膠，即構(gòu)成微生物電極。

1.2 MFC電池的組裝及內(nèi)阻測試

使用上述微生物電極作陽極，碳紙作為陰極構(gòu)建雙室MFC電池。在LB培養(yǎng)基中加入2g·L-1葡萄糖和80μmol·L-1NR作為陽極室溶液。用pH值為7.0的0.1mol/L磷酸緩沖溶液作溶劑配制成0.1mol·L-1鐵氰化鉀溶液作為陰極室溶液。

電池外接1000Ω電阻作為負載，待運行穩(wěn)定后，利用穩(wěn)態(tài)法測量MFC電池在不同外阻下放電時的外電阻電壓，通過公式I=U/R及P=U2/R計算得到電池在不同阻值下的電流及功率，并對功率和電流作圖得到功率曲線。

1.3 微生物電極的電鏡觀察

從運行穩(wěn)定后的陽極表面切取樣品，浸入2.5%的戊二醛溶液中2h，對電極中的大腸桿菌進行固定化處理，然后依次在30%、50%、70%、80%、90%及無水乙醇中各浸泡30min進行脫水，再經(jīng)過凍干處理后進行掃面電鏡觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物燃料電池性能

微生物燃料電池運行穩(wěn)定后，電池的開路電壓穩(wěn)定在0.6V左右。對穩(wěn)定后的MFC進行穩(wěn)態(tài)放電試驗來測得該MFC準確的內(nèi)阻值，通過計算得到相應(yīng)的電流密度及功率密度，作圖得到極化曲線而功率曲線[5]，見圖1。

圖中極化曲線可分成了活化極化區(qū)、輸歐姆極化區(qū)和濃差極化區(qū)。對歐姆極化區(qū)內(nèi)極化曲線進行擬合，計算出MFC內(nèi)阻為151Ω，與最高功率密度下所對應(yīng)的內(nèi)阻值接近，表明此數(shù)值基本可以反映MFC電池內(nèi)阻[6]。與文獻報道中以碳材料作為陽極的MFC內(nèi)阻進行比較，采用導(dǎo)電水凝膠包埋大腸桿菌做陽極的MFC內(nèi)阻處于較低水平。

MFC內(nèi)阻主要由活化內(nèi)阻、歐姆內(nèi)阻和傳質(zhì)內(nèi)阻構(gòu)成。活化內(nèi)阻主要由微生物向電極表面?zhèn)鬟f電子受到的阻力引起 [7]。復(fù)合導(dǎo)電水凝膠包埋產(chǎn)電微生物增加了微生物與電極接觸面積可有效降低活化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻主由質(zhì)子向陰極擴散所受阻力引起。導(dǎo)電水凝膠包埋產(chǎn)電微生物形成了三維電極結(jié)構(gòu)，有利于質(zhì)子擴散從而降低歐姆內(nèi)阻。傳質(zhì)內(nèi)阻主要是在產(chǎn)電微生物與溶液間的物質(zhì)傳遞過程中產(chǎn)生，包埋操作使產(chǎn)大腸桿菌分散在導(dǎo)電水凝膠中，使之不能形成緊密的菌膜，這有利于底物葡萄糖和微生物代謝產(chǎn)物的擴散，這也有利于傳質(zhì)內(nèi)阻的降低。

復(fù)合導(dǎo)電水凝膠包埋大腸桿菌構(gòu)建的MFC的最高功率密度達到400mW·m-2，處于相對較高的水平。這是由于導(dǎo)電水凝膠包埋大腸桿菌可以在MFC陽極上富集更多的產(chǎn)電微生物。導(dǎo)電水凝膠包埋方式富集產(chǎn)電微生物，電極材料內(nèi)部及表面都可以有微生物分布（圖2）。這就增加了產(chǎn)電微生物在電極上富集的數(shù)量，對MFC輸出功率的提升極為有利。

3 結(jié)束語

使用復(fù)合導(dǎo)電水凝膠膠包埋大腸桿菌制備而成的MFC陽極，由于導(dǎo)電水凝膠包埋大腸桿菌方法可在增加陽極微生物負載數(shù)量同時改善微生物的分布狀態(tài)，使MFC獲得較高的功率輸出和較低的內(nèi)阻，展現(xiàn)了導(dǎo)電水凝膠包埋產(chǎn)電微生物構(gòu)建MFC陽極這種方法的潛在優(yōu)勢。導(dǎo)電水凝膠包埋產(chǎn)電微生物的方式所構(gòu)建的新型陽極在MFC的性能改善方面將發(fā)揮更大的作用。

參考文獻：

[1]Wang H P， Jiang S C， Wang Y， et al. Substrate removal and electricity generation in a membrane-less microbial fuel cell for biological treatment of wastewater. Bioresour. Technol，2013，138（6）：109-116.

[2]Li S， Cheng C， Thomas A. Carbon-Based Microbial-Fuel-Cell Electrodes： From Conductive Supports to Active Catalysts. Adv. Mater，2016：1602547.

[3]Ghasemi M.， Wan R W D， Hassan S H A， et al. Nano-structured carbon as electrode material in microbial fuel cells： A comprehensive review. J. Alloys. Compd. 2013，580（32）：245-255.

[4]Pan L， Yu G， Zhai D， et al. Hierarchical nanostructured conducting polymer hydrogel with high electrochemical activity[J].PNAS，2012，109（94）：9287-9292.

[5]梁鵬，范明志，曹效鑫，等.微生物燃料電池表觀內(nèi)阻的構(gòu)成和測量[J].環(huán)境科學(xué)，2007，28（8）：1894-1898.

[6]A Fraiwan1， SP Adusumilli， D Han， et al. Microbial Power-Generating Capabilitieson Micro-/Nano-Structured Anodes[J].Fuel cell， 2014，14（6）：801-809.

[7]陳妹瓊，程發(fā)良，郭文顯，等.微生物燃料電池陽極材料的最新研究進展[J].電源技術(shù)，2015（4）：857-860.endprint