Advanced Materials:二硫化鐵/石墨烯陽極:提升微生物燃料電池性能的新方案

2021-02-13 AdvancedScienceNews

隨著人口的增加和現代社會的發展，我們正在產生越來越多的垃圾和廢水。傳統的汙水處理工藝是個高能耗、物耗和溫室氣體排放為代價，同時浪費了廢水有機物中蘊含的化學能，因此發展在廢水高效處理過程中回收可利用的資源與能源的新技術與新方法具有經濟和生態雙重效益。

微生物燃料電池（MFC）利用產電微生物催化降解有機物，將有機物蘊含的化學能轉化為電能，具有清潔高效、原位利用和循環利用的優點，作為一種能夠將廢水再生為能源的技術受到了廣泛的關注。然而，產電微生物催化降解有機物產業化的前提和難點問題是如何大幅度提高微生物催化降解有機物產電的效率。本質上，微生物催化降解有機物產電的效率主要受微生物胞外電子轉移速率的制約，因此強化微生物的附著力及提高微生物胞外電子傳遞能力將有效提升微生物催化降解有機物產電的效率。

近期，哈爾濱工業大學劉紹琴課題組根據Geobacter產電微生物可以利用Fe3+和S作為電子傳遞通路的特性，通過簡便的水熱反應合成了二硫化鐵/石墨烯複合物（FeS2/rGO）作為微生物燃料電池的陽極。該複合納米結構不僅極大地改善了Geobacter產電微生物在電極表面的黏附能力，而且有利於Geobacter在群落中與其他細菌的競爭，實現了Geobacter產電微生物的選擇性富集，從而將微生物燃料電池的啟動周期從常規碳布電極的十幾天降低到2天。此外，FeS2納米粒子的引入顯著減小了電極的電荷轉移阻抗，促進了微生物-電極界面之間的電子傳遞，獲得了3.22 W/m2的面功率密度。將其用於啤酒廠廢水的處理，也獲得了較高的電壓和功率密度以及良好的有機物去除率。

微生物燃料電池是一個十分複雜的體系，涉及細菌自身複雜的代謝和群體的互作、生物電極界面的相互作用、複雜的傳質過程和電化學反應。關於特定條件下MFC性能的研究相對比較充分，但上述的一些基本過程仍然需要被進一步的研究和更詳細的闡述。我們相信，對於微生物自身代謝和種群間相互作用的進一步揭示以及細菌-電極之間微納界面的進一步研究將有助於指導未來MFC陽極的設計和應用。

相關論文在線發表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201800618)上。

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