微型微生物燃料电池的构建与分析

论文总字数：22130字

摘 要

微生物燃料电池是一种新型能源，一直是学者们的研究热点。MFC的电解液原料普通易采集，不需要特殊的反应条件，而且MFC不产生污染性物质。然而MFC的输出功率较低,这严重地阻碍了MFC的研究和发展。研究改良阳极性能的方法、探索优化MFC的产电特性的手段,分析有关MFC性能的影响因素具有重要的意义。微型MFC由于有着更高的表面积体积比，电极距离短，反应时间快的优势又受到很多人的关注。

阳极是微生物依附聚集、电解质分解以及电子传输的地方,所以是很大程度上影响微型MFC产电性能。很多纳米材料可以导电并且有很好的生物相容性，用来做到阳极上，让微生物附着其上形成生物膜，对MFC性能的提高有很大帮助。本课题采用基于镍片的聚吡咯纳米线作为阳极材料。采用电化学方法，以磷酸氢二钠和高氯酸锂为电解质，使用恒电位法在镍片上聚合了聚吡咯纳米线。

使用聚吡咯纳米线修饰的镍片作为阳极组装微型微生物燃料电池并进行MFC的性能测试。得到微型MFC的电压——电流密度关系曲线以及功率密度——电流密度的关系曲线并进行分析，底面积为0.0036лmm2的微型MFC最大输出功率为0.583μW，根据MFC的阻抗模型,可以计算出微型MFC的内阻阻值为R_内=70kΩ。并观测生成的生物膜后可知聚吡咯纳米线是一种很好的微型MFC的阳极材料。

关键字:微型微生物燃料电池，聚吡咯纳米线，生物膜，功率密度

CONSTRUCTION AND ANALYSIS OF MICRO MICROBIAL FUELCELLS

Abstract

Microbial fuel cell is a new source of energy, and has been a hot research scholar. MFC has not only a wide range of raw materials, mild reaction conditions, and also it has no environmental pollution, etc., MFCs have broad application prospects. However the lower output power of MFC becomes a bottleneck restricting the development. Exploration and research to improve the anode performance, the methods and means to improve microbial fuel cell performance, analyze related factors affect the performance of MFC have important significance. The micro MFC has the advantage of a higher surface area to volume ratio, a shorter electrode distance and a faster response time, so it has received a lot of attention.

The anode is the bacterial adhesion, substrate oxidation and electron transfer properties, and therefore it is one of the key factors that decide the MFC electricity production. Many nanomaterials can conduct electricity and has good biocompatibility, using them as the anode to make the microbial biofilm attach to it, to improve the performance of MFC is very helpful. In this paper, we use the PPy nanowires based on nickel plate as the anode material. PPy nanowires were electrochemically synthesized by the method of Na₂HPO₄ and LiCLO₄ on the nickel sheet.

The micro MFC was built up by using a nickel plate with PPy nanowires as the anode and the performance was tested. We got miniature voltage - current density and power density curve - current density curve of the MFC, the bottom area of micro was 0.0036лmm², the maximum output power was 0.583μW and the resistance of the micro MFC was within R = 70kΩ. After observing the resulting biofilms and found that PPy nanowires can be a good miniature MFC anode material.

KEY WORDS: Micro Microbial fuel cell, PPy nanowires, biofilm, power density

目 录

摘 要………………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract……………………………………………………………………………………………Ⅱ

目 录………………………………………………………………………………………………Ⅲ

第一章 绪论 1

1.1微生物燃料电池的概述 1

1.1.1微生物燃料电池的背景 1

1.1.2微生物燃料电池的应用 1

1.1.3微生物燃料电池的前景 1

1.2微型微生物燃料电池 2

1.3 本文的主要研究内容和研究意义 2

第二章 微生物燃料电池 3

2.1微生物燃料电池的工作原理 3

2.2微生物燃料电池的结构 3

2.2.1双室微生物燃料电池 3

2.2.2单室微生物燃料电池 4

2.2.3实验采用的微生物燃料电池的结构 5

第三章 基于镍片的聚吡咯纳米线制备分析 6

3.1 导电聚合物 6

3.1.1导电聚合物的概述 6

3.1.2导电聚合物的主要特性 6

3.1.2.2导电聚合物的电致发光特性 6

3.1.2.3导电聚合物的电致防腐特性 7

3.2 聚吡咯概述 7

3.2.1 聚吡咯结构以及制备方法 7

3.2.2聚吡咯的性质与应用 8

3.3 聚吡咯纳米线的制备 8

3.3.1 简介 8

3.3.2 电化学方法及电化学工作站介绍 9

3.3.3实验部分 10

3.3.3.1实验中所需要的主要试剂与仪器 10

所需药品： 10

3.3.3.2基于镍片的聚吡咯纳米线的合成 10

3.4 基于镍片的聚吡咯纳米线的表征 11

第四章 微型微生物燃料电池的构建与分析 13

4.1 PDMS胶体 13

4.1.1 PDMS胶体的简介 13

4.12 PDMS的制备与加工 13

4.2质子交换膜 13

4.2.1简介 13

4.2.2质子交换膜的处理 14

4.3微型微生物燃料电池的实验结果分析 14

第五章 总结与展望 18

5.1 总结 18

5.2 展望 18

参考文献 19

致谢 20

绪论

1.1微生物燃料电池的概述

1.1.1微生物燃料电池的背景

微生物燃料电池是一种新型的创新型清洁能源，从前几年开始就一直是人们所关注的重点并一直在致力的研究。著名的英国植物学家Potter在20世纪初便发现了含有细菌的溶液可以产生电流^【1】，这是微生物燃料电池的第一次出现，这为后人对微生物燃料电池的研究奠定了基础。微生物燃料电池是一种在微生物的催化作用下,将菌体等有机物的化学能转变为电能量的新型生物能量利用技术^【2】。简单的来说，MFC的作用就是将微生物分子间的化学键能转为电能的装置。相比较与其前的一次能源，例如石油、煤炭等常规能源来说，其具有着能源清洁，转化过程中的能量损耗极小等等众多的优点。此外，MFC的溶液原料普通易于采集，不需要特殊的反应条件，而且MFC不产生污染性物质^【2】。MFC的原料从微生物到河底污泥亦或是生活垃圾等都可以作为MFC的反应原料来产生电能。这些特点极度的符合人们现在对于清洁能源的追求。

1.1.2微生物燃料电池的应用

生物燃微料电池的应用广泛，其主要应用于污水、沉积物以及生活垃圾等的处理以及再利用方面，通过废物产生电能再传输回来供人们使用。MFC在其他领域上也有着许多应用，比如说被用作电助产氢以及制作传感器两个方面^【3】。

近些年来许多国家已经开始使用MFC来处理富含有机物的生活污水和工业污水，在解决水污染的同时还能够产电，既有产电所带来的附加价值有降低了污水处理的成本，一举两得。由于各种污水中的成分不同，所包含的污染物以及有机物的含量也都不同，所以用于处理污水的微生物燃料电池模型并不是一成不变的，需要根据不同的污水成分来确定MFC的内部结构。所以，应用于污水处理上的MFC还需要更多的实验研究来确定MFC在不同污水处理上的功效。

由于MFC的输出功率较低，产生的微弱电能很难能够直接运用到供电上，所以研发出了MFC电助产氢技术来解决这个尴尬难题。其工作原理为：不使用氧气作为阴极的电子受体，是阴极室处于无氧的环境下，在双室MFC的阴极上通入一个极小的额外电压，致使透过质子交换膜传递来的质子直接和阴极上的电子结合产生氢气^【4】。基于MFC的这一个用途，研发出了MFC电助产氢反应器。这种器件的改良点在于阴极不再使用氢气作为电子受体，可以有效地防止氧渗透质子交换膜在阳极中扩散而引起的器件运行故障；通过这种方法产生的氢气含杂质少、纯度较高，在将生成的氢气进行储存，就可以达到氢气在工业上的运用要求，这也大大的加速了MFC电助产氢技术在现实中的使用。 

更加微小的微型MFC应用更为独特。微型MFC有望以后应用于微小型的电子器件上进行供电^【5】。目前也已经有微型MFC应用于人体植入式器官的供电^【6】，这类电池使用人体血浆作为原材料产生电能供给器官工作。MFC可以作为取代高污染性的不可再生能源的其中一种新型能源，所以MFC得到了广泛的关注，其研究也得到了极大的进步。

1.1.3微生物燃料电池的前景

然而一般尺寸MFC的缺点在于其输出功率较低，这将使得MFC在现实生活中很难应用，严重的阻碍了MFC的发展。为了解决这一问题仍然需要更多的实验来完善MFC的结构。溶液中的细菌附着在MFC的阳极之上，电解质的氧化过程也发生在阳极上，产生的电子也是从阳极通过外电路传递给阴极的，因而MFC的阳极材料性质是影响MFC性能的重要因素之一。通过理论分析找出对MFC有所影响的因素并寻找改善阳极材料性能、增加MFC的产电性能的方法对于改善MFC结构和性能都有着重要的意义。微型MFC的表面积体积之比更高，其电极距离更加短，反应时间快，这些优势受到很多人的关注。目前已经研究出很多纳米材料，例如聚吡咯纳米线等，可以导电并且有很好的生物相容性，不会对微生物产生影响，所以这类的纳米材料可以用来制作MFC的阳极，让微生物附着其上形成生物膜，对MFC性能的提高有很大帮助，所以研究纳米材料在阳极材料上形成的生物膜对于MFC产电性能的影响是十分必要的。

1.2微型微生物燃料电池

如果考虑到MFC反应器在尺寸方面的问题，迄今为止已进行了许多研究在腔室容积从数毫升至升的反应器上。微型微生物燃料电池既容易制造也容易设计，这种毫升规模的微型MFC是一种被用于探索装置架构和活性微生物之间的相互作用的简便工具，而且能探究电子如何在微生物和阳极之间转移的根本问题。事实上，由于在采用有利配置来降低内部电阻并改善粒子传输的灵活性，迄今为止最好的结果已经在毫升尺度微生物燃料电池中得到了实现。一个1.2毫升的微型MFC具有很高的表面积与体积比，能够产生500瓦/米³的高功率密度，这已经被报道出来了；也有报道说明一个2.5毫升的以空气作为受体的微型MFC可以产生1010W/ m³的功率密度^【7】。明显的功率输出和微型MFC极小的体积都有利的表现了它们作为便携式电源的潜在用途，特别是如果串联连接多个微型MFC实现电压和功率增加的。

目前更加微小的MFC引发了诸多学者们的兴趣，学者们尽可能的将MFC微型化，将微型MFC的有效腔体减小到微升的量级上。这是由于目前仍然没有一个对MFC中细胞外电子传递过程的深度了解，尤其是对小菌落的细菌细胞^【8】，这就刺激了人们对于微型MFC的研究的渴望。微型微生物燃料电池由于其内部较少的细胞群以及其能被控制控制，所以被选作为研究MFC根本的一个快速通道。

微型MFC的优势在于他们独特的结构特点和极其微小的尺寸和容量。微型微生物燃料电池通常是通过微制造技术来制备，微型微生物燃料电池的典型特征是具有极小厚度的腔室（几十到几百微米的）和高表面积体积之比。对于研究MFC中的细胞状态或是粒子的转移过程等都有着有利的帮助。在微型MFC中只需要研究单个的细胞即可，这位试验提供了极大的便利。综上所述，微型微生物燃料电池可以提高关于探究微生物的生理学行为以及与MFC的相互影响对于MFC效率影响的基础研究。

1.3 本文的主要研究内容和研究意义

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