聚3,4-乙烯二氧噻吩在海洋微生物燃料電池陽極改性中的應用

陳占飛,鄭 智,宋宇寧,劉紅豆,王 珊,徐方成

(廈門大學化學化工學院,福建 廈門 361005)

微生物燃料電池(MFC)是一種特殊的燃料電池,它以微生物為催化劑,廢棄生物質、有機廢水等有機物作為燃料,通過生物氧化產生電能．常規(guī)燃料電池的陽極和陰極都是化學電極,而MFC的陽極是生物電極,陰極仍然是化學電極[1]．因此,MFC的陰極可以借助傳統(tǒng)燃料電池技術進行設計,而其陽極必須開展基礎研究．傳統(tǒng)燃料電池的催化劑一般是一次性固定在電極表面,而MFC的陽極催化劑(也就是陽極表面生物膜)是在MFC啟動過程中逐漸形成的．有機物通過擴散傳遞到生物膜內,被產電菌氧化分解,產生的一部分電子通過胞外電子傳遞途徑傳遞到細胞外部,再經過生物膜內細胞與細胞之間的傳遞,最終到達電極表面．現(xiàn)有研究已發(fā)現(xiàn),產電微生物主要通過細胞外膜上的細胞色素C、納米導線以及分泌可溶性電子介體3種途徑實現(xiàn)胞外電子傳遞[2-3]．MFC的陽極實際上是微生物與電極相互作用的結果,其性能不僅與產電微生物的種類和電化學活性有關,而且電極材料對其也有重要影響．

目前,MFC的陽極設計仍然缺乏系統(tǒng)的理論指導[4]．大多數(shù)研究采用碳材料作為MFC的陽極,如石墨塊、碳紙、碳布和碳氈[5]．盡管碳材料質量輕，抗腐蝕性好,但碳材料脆性大，二次加工困難,而且也不太容易吸附微生物．高分子聚合物普遍具有耐腐蝕、易加工和成本低的優(yōu)點,將導電聚合物涂布在普通基材表面,可以簡單、快速地改變電極特性,該方法已經逐漸成為MFC電極改性的一個新的發(fā)展方向.常見的導電聚合物有聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等以及其衍生物[6]．與其他導電聚合物相比,聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)具有極好的化學穩(wěn)定性、高電導率和良好的生物相容性,很適合作為MFC的電極涂層．近年來,已有將PEDOT用作MFC的陽極涂層或黏結劑的研究報道[7-9]．Liu等[7]采用電化學聚合法,在碳紙、碳氈表面合成了一層PEDOT膜,并認為三維納米多孔結構是PEDOT提高Shewanellaloihica產電的原因．Wang等[8]以大腸桿菌(Escherichiacoli)為測試菌種,PEDOT作為納米石墨烯黏結劑,考察了石墨烯對MFC產電的影響．Kang等[9]以活性污泥作為菌種來源,研究了PEDOT修飾的石墨板、石墨氈和碳布對產電的影響．Yong等[10]以S.oneidensisMR-1作為產電菌,導電聚合物改用聚苯胺作為黏結劑,將納米石墨烯固定在碳氈表面,考察了石墨烯對MFC產電的影響．這些研究主要采用來自陸地環(huán)境的產電菌純種或活性污泥作為陽極催化劑,并指出MFC產電能力的提高主要得益于導電聚合物改進了陽極表面的三維立體結構,增加了電極的比表面積．

研究PEDOT對MFC產電的作用,不僅要考慮PEDOT的導電作用和三維立體結構作用,而且應該考慮PEDOT本身的化學性質作用．盡管摻雜納米顆粒能提高PEDOT的導電特性和電極的比表面積,從而進一步提高MFC產電,但摻雜有可能劣化PEDOT在基材表面的附著能力以及材料的長期穩(wěn)定性．是采用比較平整的純PEDOT膜,還是采用含有高電導率的納米材料(如石墨烯)摻雜的復合膜,需要從MFC性能、電極制備難易程度、材料長期穩(wěn)定性等多方面綜合考慮,來進一步優(yōu)化PEDOT在MFC中的應用．

本研究采用循環(huán)伏安法在石墨電極表面聚合形成PEDOT薄膜,以海洋產電菌Shewanellasp. S2為菌種材料,制成MFC，并探討PEDOT對海洋產電菌產電的影響及機制．

1 材料與方法

1.1 電極制備和PEDOT膜檢測分析

電極采用大小為28 mm×7 mm×3 mm的高純石墨塊(99.9%,天津艾達恒晟科技發(fā)展有限公司),用100～5 000目的氧化鋁砂紙,從粗到細將石墨表面拋光．再通過酸洗和堿洗除去表面的金屬氧化物和油污．采用直徑0.2 mm 的細鈦絲(外面套耐高溫絕緣管)與石墨塊相連．

石墨塊表面聚合PEDOT薄膜的制備方法如下:石墨塊作為工作電極,Ag/AgCl(3 mol/L KCl)和Pt棒分別作為參比電極和對電極,在電化學工作站CHI660E(上海辰華儀器有限公司)控制下采用循環(huán)伏安法聚合;掃描電壓范圍為0～1.2 V,掃描速率為0.01 V/s,掃描圈數(shù)為10 圈;乙烯二氧噻吩(EDOT)的濃度為0.01 mol/L,高氯酸鋰作為引發(fā)劑．聚合完成后用大量去離子水沖洗,除去表面殘留的EDOT溶液,制備好的電極浸泡在去離子水中備用．

采用能譜(EDS)儀(日本HITACHI公司,S-4800)通過測量元素C以及PEDOT特征元素(O和S)判斷PEDOT是否聚合在石墨基材表面．石墨電極標記為G,PEDOT修飾的石墨電極標記為PEDOT/G．

1.2 產電菌菌種和培養(yǎng)基

測試菌株來自廈門近海的海洋產電菌Shewanellasp. S2[11],采用2216E培養(yǎng)基(西寶生物科技股份有限公司)好氧培養(yǎng)．配制M6溶液模擬海水基礎鹽溶液[12],在M6溶液中加入20 mmol/L乳酸鈉和1 g/L氯化銨,作為Shewanellasp. S2在MFC陽極室的產電培養(yǎng)基,即陽極溶液．所有化學試劑均為分析純,購自國藥集團化學試劑有限公司．

1.3 U型MFC的制作和啟動

采用U型MFC分析PEDOT修飾陽極對產電的影響．U型MFC由兩個帶球形接頭的L型玻璃彎管(內徑20 mm)對接而成,中間夾一片質子交換膜(杜邦N112,上海河森電氣有限公司)和O型密封圈,用平行夾夾緊密封．外接510 Ω電阻,用多通道萬用數(shù)字電表(Keithley 2700,Keithley Instruments,Inc.,美國)測量510 Ω電阻兩端電壓,每5 min采集一次．陰極溶液為含有50 mmol/L鐵氰化鉀的0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7.0)．兩室的裝液量均為25 mL左右,預先通過滲透實驗用NaCl調整陰極室的離子強度,以保證質子交換膜兩側的滲透壓平衡．設立兩組MFC,一組陽極為PEDOT/G,另一組為G．兩組MFC的陰極均采用PEDOT/G電極．產電菌采用2216E培養(yǎng)基培養(yǎng)到對數(shù)末期,在7 000 r/min下離心5 min 后,菌泥用M6溶液懸浮后接種到陽極室．陽極溶液中的生物量用溶液在600 nm的吸光度(即菌濁度A600)表示,初始A600為0.3～0.4．產電培養(yǎng)基中的乳酸鈉,待MFC電壓曲線的基線平穩(wěn)后,單獨用注射器加入．

1.4 極化曲線測量和電化學阻抗分析

傳統(tǒng)燃料電池的陽極催化劑是固定的,但MFC的陽極催化劑是在人工電子受體(即陽極)脅迫下逐步建立起來的．通常在電極表面生物膜達到穩(wěn)定后,通過外電阻法或線性伏安掃描法獲得極化曲線[13]．本研究采用線性伏安掃描法,掃描從開路電壓開始,0 V 結束,掃描速率為1 mV/s．

電化學阻抗譜(EIS)的測量：工作電極分別為G電極和PEDOT/G電極,參比電極和對電極分別為Ag/AgCl電極和Pt網電極；振幅為10 mV,頻率從1 000 kHz到0.01 Hz,起始電壓為開路電壓．本研究采用Lu等[14]報道的EIS方法和等效電路模型:將整個MFC簡化為R0(R1C1)(R2C2) 等效電路,其中R0為溶液和隔膜的電阻,R1和C1分別為陽極的電阻和電容,R2和C2分別為陰極的電阻和電容．采用的EIS模擬軟件為ZsimDemo 3.30d．

1.5 陽極表面細胞形態(tài)分析

MFC運行結束之后,取出陽極,先在2.5%(體積分數(shù))戊二醛溶液中浸泡4 h以滅活細胞；然后在裝有0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7.0)的離心管(5 mL)中換液浸泡2～3次,每次15 min左右；再將陽極依次浸入梯度乙醇溶液(體積分數(shù)為30%,50%,70%和100%)中進行脫水處理,每個梯度浸泡15 min；最后將陽極放入真空干燥箱內保存．用S-4800掃描電鏡(SEM,日本HITACHI公司)觀察產電菌在電極表面的形態(tài)．

2 實驗結果

2.1 陽極PEDOT修飾

從圖1可知：在0～0.1 V,氧化電流從-2 mA增加到1 mA；在0.1～0.7 V,氧化電流基本沒有變化；在0.7～1.2 V，氧化電流由1 mA迅速增加到12 mA左右,這表明PEDOT是在高電位下聚合而成的．在高電位,EDOT單體在高氯酸鋰的氧化下形成陽離子自由基,然后自由基之間發(fā)生聚合形成短鏈,隨著反應時間延長聚合鏈長度不斷增加,最終形成PEDOT薄膜．

0.01 mol/L EDOT溶液，掃描速率10 mV/s，掃描范圍0～1.2 V (vs. Ag/AgCl).圖1 石墨陽極表面聚合PEDOT的循環(huán)伏安圖Fig.1 Cyclic voltammograms of PEDOT modification on graphite anode

圖2 石墨陽極(a,b)和PEDOT修飾石墨陽極(c,d)的SEM和EDS圖Fig.2 SEM and EDS images of pure graphite anode (a,b) and PEDOT modified graphite anode (c,d)

圖2是兩種電極的SEM和EDS的表征結果．從SEM圖看,G電極表面比較平坦;PEDOT在PEDOT/G電極表面總體呈片狀,并帶有一些顆粒狀凸起(直徑約200 nm)．EDS分析表明,未修飾的G電極只有C元素,而修飾后的PEDOT/G電極除了C元素以外還有O和S元素,這兩種元素只能來自PEDOT分子,說明PEDOT已經聚合到石墨電極表面．

2.2 MFC產電量分析

箭頭所示為乳酸納加入時間點.圖3 PEDOT修飾石墨陽極對MFC產電的影響Fig.3 Effects of PEDOT modified graphite anode on MFC current production

MFC的產電曲線如圖3所示,開始產生的電流不是產電菌產生的電流,而是由陽極室和陰極室的離子強度差異等因素造成的．由于加入的產電菌本身也是一類特殊的帶電粒子,有一定的離子強度,但無法精確估計，所以等電壓信號基本歸零(基線平穩(wěn))后,再用注射器將乳酸鈉注入到陽極室．從圖3可知：加入乳酸鈉后MFC電流迅速上升.在穩(wěn)定期,以PEDOT/G為陽極的電流密度可以達到約173.6 mA/m2,是以G為陽極(74.4 mA/m2)的2.33倍．前期研究[11]表明,采用以G為陽極的H型MFC時,Shewanellasp. S2產生的電流密度可以達到66.1 mA/m2.本研究采用U型MFC,縮短了陽極和陰極之間的距離從而減少了內阻,提高了產電量,但提高幅度不大；而采用PEDOT修飾石墨陽極后,電流密度得到顯著提高,說明PEDOT修飾是一種提高MFC產電量的有效方法．產電結束時乳酸鈉已經消耗完畢,理論上產電量為289.5 C,利用Origin軟件對產電曲線進行積分和換算,以G和PEDOT/G為陽極的MFC的產電量分別為33.8和98.6 C,二者的庫倫效率分別為11.7%和34.1%．

圖4 未修飾(a)和PEDOT修飾(b)石墨陽極的MFC極化曲線和功率密度曲線Fig.4 Polarization and power density curves of MFCs with unmodified (a) and PEDOT modified (b) graphite anodes

圖5 未修飾(a)和PEDOT修飾(b)的石墨陽極MFC啟動階段的EIS Nyquist圖Fig.5 Nyquist plots of EIS test during start-up stage of MFCs with unmodified (a) and PEDOT modified (b) graphite anodes

2.3 極化曲線分析

當MFC運行一定時間后,產電曲線基本穩(wěn)定,達到相對穩(wěn)態(tài),此時將MFC裝置與電化學工作站相連接進行線性伏安掃描，測得MFC的極化曲線．再將極化曲線進行線性擬合,所得斜率的絕對值即為電池的表觀內阻．如圖4所示,通過線性擬合得到以PEDOT/G為陽極的電池表觀內阻為390 Ω,是以G為陽極(471 Ω)的83%．二者的最大功率密度分別為40和26 mW/m2．

2.4 EIS的比較

從圖3可知,運行到第7天(168 h),兩種MFC的產電都進入穩(wěn)定期,因此,圖5的EIS分析只記錄前7 d的數(shù)據．采用等效電路R0(R1C1)(R2C2) 擬合圖5的EIS數(shù)據,得到兩種MFC的陽極電阻和電容(圖6)．結果表明,無論是PEDOT/G 電極還是G 電極,陽極電阻R1均隨著MFC運行時間增加呈下降趨勢．在起始階段,PEDOT/G和G電極的R1分別約為8.1和19 kΩ;運行7 d后,R1分別降至0.135和2 kΩ左右．從圖3可知,第1天生物膜還沒有形成,第7天生物膜已經達到穩(wěn)定值．EIS模擬結果顯示,無論是否形成生物膜,PEDOT修飾后的R1都小于未修飾的石墨陽極,而陽極電容C1則都大于未修飾的石墨陽極，表明PEDOT修飾石墨陽極能降低陽極電阻并增大電容．

3 討 論

圖6 兩種MFC啟動階段的陽極電阻R1(a)和電容C1(b)Fig.6 Resistance R1 (a) and capacitance C1 (b) of anodes of two types of MFC during start-up stage

原核生物的呼吸鏈在細胞膜上,其呼吸作用屬于胞內電子傳遞．產電菌用的是胞外電子傳遞鏈,代謝產生的電子沿著呼吸鏈傳遞一段距離后,最終通過細胞表面的細胞色素C或納米導線傳遞給電極．MFC的陽極是生物電極,陽極電位不僅與外膜上的氧化還原載體的種類和數(shù)量有關,而且還和胞外電子傳遞路線、生物膜結構等很多因素有關[15]．50 mmol/L鐵氰化鉀的氧化還原電位在0.2 V(vs. Ag/AgCl)左右,結合極化曲線圖(圖4),可知在本研究條件下陽極電勢在0 V(vs. Ag/AgCl)左右．從圖1可知,在0～0.6 V(vs.Ag/AgCl)范圍內PEDOT沒有氧化還原峰,說明PEDOT用于Shewanellasp. S2產電的電化學性質是穩(wěn)定的．PEDOT能促進海洋產電菌Shewanellasp. S2產電(圖3)．

圖7 未修飾(a)和PEDOT修飾(b)的石墨陽極吸附產電菌的SEM圖Fig.7 SEM images of exoelectrogenic cell adsorption on unmodified (a) and PEDOT modified (b) graphite anodes

關于PEDOT促進MFC產電的機制,目前還缺乏詳實的研究數(shù)據和結論．很多學者認為PEDOT通過促進電極表面形成高度立體結構,提高了電極比表面積從而促進產電[7-9,16]．因此,把PEDOT和聚苯胺等導電聚合物用作黏結劑,將氧化石墨烯等高導電物質黏結在電極表面以促進MFC產電[8,10]．但本研究中,如圖2所示,導電聚合物PEDOT在石墨基材表面比較平整,有一些直徑200 nm左右的PEDOT凸起(表面粗糙度),并未形成明顯的三維結構,而海洋產電菌Shewanellasp. S2為直徑0.7 μm、長1.5 μm的桿菌,其寬度和長度遠大于陽極表面的粗糙度,因此,可以排除PEDOT的三維立體結構作用,且粗糙度對單位電極表面產電菌數(shù)量的影響幾乎可以忽略不計．從圖7可知,海洋產電菌Shewanellasp. S2沒有完全覆蓋兩種電極的表面,但PEDOT修飾電極表面的細菌密度明顯高于未修飾的石墨電極．PEDOT是帶正電的高分子聚合物,而細胞表面通常是帶負電的,電荷的相互作用促進了更多產電菌吸附在PEDOT/G電極表面．產電菌增加意味著陽極有更多的催化劑用于催化分解有機物,從而促進MFC產電．這說明MFC產電能力的提高主要是由于PEDOT本身的化學特性,而不是其空間幾何形態(tài)．

4 結 論

本研究采用循環(huán)伏安法在石墨電極表面聚合PEDOT薄膜,制備的以PEDOT/G為陽極的MFC在穩(wěn)定期的電流密度達到173.6 mA/m2,產電量為98.6 C,庫倫效率為34.1%,最大功率密度為40 mW/m2,均比以G為陽極的MFC有明顯提高,且PEDOT修飾石墨電極后,電池表觀內阻和陽極電阻均有所下降,而陽極電容上升．SEM表征結果顯示,PEDOT修飾電極表面的粗糙度遠小于產電菌的尺寸,推測其MFC產電能力的提高主要是由于PEDOT與產電菌間的電荷相互作用,提高了修飾電極表面的產電菌吸附量．

[1] LOGAN B E.Microbial fuel cells[M].Hoboken,New Jersey:John Wiley & Sons,Inc.,2008:4-6.

[2] LOVLEY D R.Microbial fuel cells:novel microbial physiologies and engineering approaches[J].Current Opinion in Biotechnology,2006,17(3):327-332.

[3] FRAIWAN A,CALL D F,CHOI S.Bacterial growth and respiration in laminar flow microbial fuel cells[J].Journal of Renewable and Sustainable Energy,2014,6(2):023125.

[4] LOGAN B E.Scaling up microbial fuel cells and other bioelectrochemical systems[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2010,85(6):1665-1671.

[5] FOLEY J M,ROZENDAL R A,HERTLE C K,et al.Life cycle assessment of high-rate anaerobic treatment,microbial fuel cells,and microbial electrolysis cells[J].Environmental Science & Technology,2010,44(9):3629-3637.

[6] ATES M,KARAZEHIR T,SARAC S A.Conducting polymers and their applications[J].Current Physical Che-mistry,2012,2(3):224-240.

[7] LIU X,WU W G,GU Z Z.Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) promotes direct electron transfer at the interface betweenShewanellaloihicaand the anode in a microbial fuel cell[J].Journal of Power Sources,2015,277:110-115.

[8] WANG Y,ZHAO C E,SUN D,et al.A graphene/poly(3,4-ethylenedioxythiophene) hybrid as an anode for high-performance microbial fuel cells[J].ChemPlusChem,2013,78(8):823-829.

[9] KANG Y L,IBRAHIM S,PICHIAH S.Synergetic effect of conductive polymer poly (3,4-ethylenedioxythiophene) with different structural configuration of anode for microbial fuel cell application[J].Bioresource Technology,2015,189:364-369.

[10] YONG Y C,DONG X C,CHAN-PARK M B,et al.Macroporous and monolithic anode based on polyaniline hybridized three-dimensional graphene for high-perfor-mance microbial fuel cells[J].ACS Nano,2012,6(3):2394-2400.

[11] 王彪,黃杰勛,章曉波,等.一株海洋產電菌Shewanellasp. S2的篩選和產電分析[J].微生物學通報,2010,37(3):342-348.

[12] XU F,MOU Z,GENG J,et al.Azo dye decolorization by a halotolerant exoelectrogenic decolorizer isolated from marine sediment[J].Chemosphere,2016,158:30-36.

[13] PéREZ-RODRGUEZ P,OVANDO-MEDINA V M,MARTNEZ-AMADOR S Y,et al.Bioanode of polyurethane/graphite/polypyrrole composite in microbial fuel cells[J].Biotechnology and Bioprocess Engineering,2016,21(2):305-313.

[14] LU Z,GIRGUIS P,LIANG P,et al.Biological capacitance studies of anodes in microbial fuel cells using electrochemical impedance spectroscopy [J].Bioprocess and Biosystems Engineering,2015,38(7):1325-1333.

[15] BARON D,LABELLE E,COURSOLLE D,et al.Electrochemical measurement of electron transfer kinetics byShewanellaoneidensisMR-1[J].Journal of Biological Chemistry,2009,284(42):28865-28873.