基质辅助激光解吸电离质谱及常压电离质谱技术在生物样品分析中的应用

这是一篇关于MALDI,纳米探针,质谱成像,氮掺杂石墨烯量子点,常压质谱,微生物燃料电池的论文, 主要内容为核酸、蛋白质以及小分子代谢物等生物分子是生命活动的重要参与者,生物分子信息的准确读取对于研究生命活动机制、发展疾病诊治方案、指导生物能源开发均具有重要意义。然而,生物样品成分复杂,生物分子在种类、丰度、活性等方面差异巨大,亟待发展快速准确的生物分子定性、定量分析方法。质谱技术凭借其高灵敏度、高准确度和高选择性等优点,已逐渐成为生命科学研究领域中重要的研究工具。其中,基质辅助激光解吸电离质谱(MALDI-MS)和常压电离质谱(AMS)技术,分别在生物分子高效解吸电离以及生物样品原位分析中具有独特的技术优势,因此在生物样品检测分析以及生物过程原位监测方面具有广阔的应用前景。本论文基于MALDI-MS技术分别开发了以质量条形码纳米探针为识别介质和以氮掺杂石墨烯量子点为基质的质谱分析新方法,分别实现了蛋白酶活性的质谱测定与生物组织中代谢物分子的质谱成像。另一方面,利用AMS在生物样本原位采样分析方面的技术优势,我们发展了基于AMS的微生物产电过程中代谢物变化监测新方法,实现了微生物燃料电池中微生物产电过程的原位质谱监测。主要内容如下:1.基于质量条形码纳米探针的质谱分析技术用于Caspase-3活性评估MALDI-MS技术具有高灵敏、高通量和免标记等优势,为酶活性评估提供了理想的技术手段。本研究中,我们以细胞凋亡机制中关键的终末剪切酶Caspase-3为研究对象,开发了以Fe3O4纳米球为核、修饰质量标签的Au NPs为卫星的核-卫星结构质量条形码纳米探针,借助MALDI-MS实现了对Caspase-3蛋白酶活性的定量分析。利用目标酶剪切底物肽段连接链导致的Au NPs解离,将酶切事件转化为纳米探针上质量标签离子信号的变化,通过MALDI-MS技术获取质量标签离子信号,进而与酶活性建立定量关系。此方法操作简便,灵敏度高,无需荧光标记即可实现对蛋白酶活性的准确测定。此外本工作设计的质量条形码纳米探针可直接内化到细胞中进行工作,为细胞内蛋白酶活性的质谱检测提供了可能,也为揭示细胞凋亡机制和开发创新药物开辟了新途径。2.以氮掺杂石墨烯量子点为基质的MALDI-MSI技术用于鼠脑组织切片成像基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI-MSI)技术通过各像素点质谱信号采集,利用目标离子信号实现待测物在二维/三维空间上的图像重构。MALDI-MSI可以对样品中多种目标物的组成、相对丰度及空间分布情况进行快速分析,因而广泛应用于医学、生物学、药代动力学等研究领域。然而,在MALDI-MSI技术中,传统基质存在背景信号高和检测重现性差等问题,导致其在低分子量目标物质谱检测与成像方面十分受限。本章中我们以高温微波切割法获得氮掺杂石墨烯量子点(NGQDs),开发了NGQDs作为基质的MALDI-MSI新方法,并成功用于鼠脑组织切片中低分子量代谢物的成像分析。与常用基质DHB辅助的MALDI-MSI方法相比,以NGQDs作为基质的MALDI-MSI方法能更灵敏地检测鼠脑组织切片中小分子代谢物,特别是在负离子模式下表现优异。我们进一步以NGQDs为基质对创伤性脑损伤(TBI)模型鼠脑组织切片进行MALDI-MSI分析,发现酪氨酸等低分子量代谢物在脑损伤区域丰度明显低于正常位置。这一新型的MALDI MSI方法为研究生理、病理过程中小分子变化规律提供了一种有效的技术途径。3.基于常压电离质谱技术的微生物产电过程代谢变化监测目前对产电微生物产电过程的研究更多集中在电信号的测量,而对于微生物产电行为所伴随的表面状态和分泌物变化的研究却涉及较少。针对该问题,我们利用常压电离质谱技术(AMS)在实时原位分子信息读取方面的优势,搭建了两套常压离子源装置。其中,气压进样萃取电喷雾电离(EESI)质谱旨在研究微生物燃料电池(MFC)中微生物在完全厌氧环境下产电时分泌于电解液中的代谢物分子;纳喷雾解吸电喷雾电离(nano-DESI)质谱主要监测电极表面微生物代谢物的变化。研究中,我们系统考察并探讨了电解质成分、工作电极材料以及萃取溶剂对产电微生物代谢物质谱检测效果的影响。最终实现了不同环境下产电微生物在产电过程中生物分子的原位、实时、在线监测。本研究为微生物燃料电池中生物产电过程和电极界面物质变化监测提供了可行方案。

微生物燃料电池阳极生物膜的保护与功率输出的优化研究

这是一篇关于微生物燃料电池,凝胶生物阳极,耐氧性能,电容电极,电压反转,功率骤降的论文, 主要内容为微生物燃料电池(MFC)是一种利用电活性微生物氧化降解有机小分子,将化学能转化为电能的电化学装置。近年来,关于MFC的理论基础研究已取得了巨大的进展,然而其实际应用,特别是污水处理,还受到了极大的限制。一方面,当溶液中氧含量增大时,MFC阳极的厌氧电活性微生物的生物电化学活性会受到严重抑制甚至完全失去。因此,MFC技术难以与传统的好氧污水处理技术相融合。另一方面,MFC的输出不稳定,单个MFC容易产生功率骤降,而且串联MFC电池组容易发生电压反转,严重降低MFC的功率输出。针对上述问题,本论文一方面采用物理交联的聚乙烯醇(PVA)水凝胶对电活性微生物膜进行保护,以提高其耐氧性能;另一方面开发具有高电容的多孔碳泡沫(CF)材料作为MFC的阳极,以消除MFC的功率骤降和电压反转,提高MFC的功率输出。第一部分以炭黑修饰的不锈钢网作为阳极,在其上生长电活性微生物膜形成生物阳极;接着采用液氮冷冻/解冻物理交联的PVA对生物阳极进行包裹固定,制备水凝胶微生物阳极。扫描电子显微镜(SEM)形貌表征显示,液氮冷冻/解冻制备的PVA凝胶内部呈现规则的管状结构。MFC全电池性能测试显示,基于PVA水凝胶生物阳极的MFC可产生的最大电流密度为1.40 mA cm-2,功率密度为1200 mW m-2,与未包裹凝胶的不锈钢网电极的产电性能相近。生物阳极的耐氧性能测试显示,在曝纯氧的条件下,水凝胶生物阳极的电活性没有受到很大影响,以其构建的MFC的功率输出也基本保持不变;而没有水凝胶包裹的生物阳极,其电活性则急剧降低,这说明水凝胶生物阳极具有优异的耐氧性能。水凝胶生物阳极的耐氧性能主要归功于PVA水凝胶降低了氧气扩散速率,阻碍了氧气向电活性生物的扩散。第二部分采用高温炭化三聚氰胺泡沫制备了柔性炭泡沫(CF)。CF具有较大的孔隙率和孔隙结构,有利于电活性微生物的生长。以900℃炭化的厚度为4 mm的碳泡沫(简称CF-900-4)作为阳极,可产生4.2 mA cm-2的电流密度。基于CF-900-4阳极和空气阴极的组成的MFC,其功率密度高达3100 mW cm-2。此外,CF具有优异的机械性能,能够替代传统刚性的炭基材料,为MFC的实际应用提供了可能。第三部分研究了电容型电极对MFC的功率骤降和其在串联时产生的电压反转现象的影响。经过测试发现CF-900不仅是一种性能优异的MFC阳极材料,还是一种出色的电容材料。充放电测试结果显示CF-900的比电容值高达111 F g-1。将CF-900-4与空气阴极组装成MFC后发现单个电池不会发生功率骤降现象;MFC在串联时也不会发生电压反转。因此,电容型的材料可以优化MFC的功率输出。

基于MEF技术的船舶机舱油污水处理设备的构建

这是一篇关于微生物电芬顿,微生物燃料电池,电芬顿,含油污水,污水处理装置的论文, 主要内容为国际海事组织(IMO)颁布的MEPC.107(49)决议中提出增加油水乳化液相关试验,以提高船舶油污水的降解标准。目前,船舶在用的含油污水处理设备主要是基于物理法的油水分离器,对乳化油和COD的清除效果较差。微生物电芬顿技术(MEF)是一种将生物降解、电化学反应和芬顿氧化有机结合的综合性处理工艺,因其节能高效、操作环境温和、毒素含量低等优点,逐渐被应用于废水处理研究中。因此,研究并开发一种基于MEF技术的船舶机舱油污水处理设备,提高对乳化油和COD的清除能力,对海洋生态环境保护具有重要意义。本文提出了一种基于MEF技术的船舶机舱油污水处理设备的构建方法,分别设计一级微生物燃料电池(MFC)降解池和二级电芬顿(EF)降解池,并对各降解池参数进行完善优化,在此基础上综合生物降解和电芬顿降解技术的优势,开发了一种适合船舶的组合式MEF含油污水处理设备,主要研究内容如下:(1)研究设计并搭建了一级MFC降解池,利用涂覆法制备了具有良好生物兼容性和较高亲水性的碳布与Ti C、Mo2C、WC、Zr C和Cr3C2共存的电极材料。以MFC产电降解性能为评价指标,设计阴极液优化适配实验,对阴极液浓度和组分进行优化适配。对比不同电极降解实验结果,确定一级MFC降解池参数为:90 m M的铁氰化钾、60 g·L-1的氯化钾混合阴极液和WC-CC阳极材料。实际测试结果表明,一级MFC降解池在七天内可以有效降解船舶机舱油污水中的乳化柴油,其降解率为81.62%,COD去除率为79.8%。(2)研究设计并搭建了二级EF降解池,探究不同因素(电解电压、p H和曝气量)对含油污水降解性能的影响,进一步通过活性自由基的淬灭实验揭示降解机理。利用电解法制备了一种用于电芬顿反应的泡沫铁镍电极材料,以H2O2含量为指标优化制备条件,并设计了单因素对比实验,确定最优降解条件为:电解电压U=8 V、p H=3、曝气量Q=150 L·h-1。结果表明,·OH是芬顿降解过程中的主要活性物质,在最佳降解条件下,二级EF降解池对含油污水的降解率为63.55%,COD去除率为46.01%。(3)综合考虑含油污水处理现状,结合生物降解和电芬顿降解技术的优势,研究开发出适合船舶的组合式MEF含油污水处理设备,确定相应的预处理系统、处理系统以及电力再生系统的工艺流程。利用Box-Behnken设计法对降解条件进行了二次优化并建立预测模型。结果表明,当电解电压U=8.38 V、p H=3.10和曝气量Q=137.67 L·h-1时,预测模型的降解率达到最大值94.84%。以从威海港接收的供给船机舱油污水为验证对象,经预处理后的机舱油污水平均降解率达到93.77%。实际降解率与所建模型的预测误差小于2%,说明模型结果可靠。此外,组合式MEF含油污水处理设备降解COD的动力学研究结果表明该反应为一级反应,COD降解动力学方程为c=373.81×e-0.0293t,R2=0.9914。三组试验水样的误差均小于2%,表明该模型可以准确预测COD数值,进而实现对MEF含油污水处理设备的有效控制。通过试验验证,研究设计的基于MEF技术的船舶机舱油污水处理设备可以实现对乳化油和COD的高效去除,设备整体出水水质达到《城镇污水厂污染物排放标准》(GB18918-2002)三级标准,符合《船舶水污染物排放控制标准》(GB3552-2018)。研究成果可为船舶机舱油污水处理提供一种新的技术方法及理论依据。

钴/铁氮碳催化剂制备及其在燃料电池中的氧还原性能研究

这是一篇关于微生物燃料电池,锌-空气电池,氧还原反应,自载型,金属有机框架化合物,生物炭的论文, 主要内容为微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)和锌-空气电池是具有广泛应用前景的电化学储能和转换技术。微生物燃料电池能将污水中蕴含的化学能转化为电能,在污水净化的同时产电,符合绿色、可持续的能源需求;锌-空气电池是以空气中的氧气为正极活性物质,金属锌为负极活性物质的一种新型化学电源,具有原料资源储量丰富、能量密度高、理论比容量大、安全无污染等优点,在新能源汽车等领域具有良好的应用前景。MFC和锌-空气电池的阴极均发生氧气还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR),然而ORR反应活化能势垒高,动力学缓慢,成为限制MFC和锌-空气电池产电性能的关键因素。因此,开发低成本、高效、稳定的阴极ORR催化剂是MFC和锌-空气电池领域的重点和难点问题。本研究以金属有机框架化合物(Metal organic frameworks,MOFs)为前体,制备不锈钢网自载型钴氮碳催化剂和蘑菇炭载钴/铁氮碳催化剂,系统研究催化剂的ORR催化活性、催化机理、空气阴极电化学性能、及其在MFC和锌-空气电池中的产电性能。以期建立低成本、高效、稳定ORR催化剂的可控制备方法,提高MFC和锌-空气电池的产电性能。采用不同预处理方法在不锈钢网(SSM)载体表面沉积MOFs,高温碳化制备自载型钴氮碳催化剂Co NC/APTES@SSM、Co NC/DA@SSM和Co NC/A@SSM。在自载型钴氮碳催化剂中,不锈钢网表面紧密生长多面体结构的纳米颗粒,其形貌、直径等与预处理方法密切相关,催化剂表面均匀分布C、N、O和Co四种元素,并存在Co3O4活性颗粒。在中性溶液中,Co NC/APTES@SSM、Co NC/DA@SSM和Co NC/A@SSM的ORR电流密度(-0.4 V)比SSM提高了40.8%～87.8%,交换电流密度提高了1.26～2倍;在碱性溶液中,自载型钴氮碳催化剂的交换电流密度比SSM提高了10倍。在MFC中,Co NC/APTES@SSM获得的最大功率密度为190.92 m W m-2,是SSM组装MFC的1.8倍;在锌-空气电池中,Co NC/A@SSM的最大功率密度为23.0 m W cm-2,比SSM组装的锌-空气电池提高了74.2%。可见,自载型钴氮碳催化剂提高了不锈钢网的催化活性,可提高空气阴极在MFC和锌-空气电池中的ORR性能。以金属有机框架化合物和蘑菇(MC)为前体,制备钴(铁)、氮和碳掺杂的蘑菇炭载钴/铁氮碳催化剂Co NC@MC、Fe NC@MC和Co Fe NC@MC。蘑菇炭载钴/铁氮碳催化剂中Co、Fe金属元素的掺入提高了碳骨架的石墨化程度,吡啶-N、石墨-N和金属-N含量丰富,为ORR提供了高效的催化活性位点,微孔与中孔共存结构有利于ORR进行ORR活性测试结果表明,负载钴/铁、氮、碳大大提高了蘑菇炭的极限扩散电流密度(JL),在中性溶液中,Fe NC@MC-A获得的JL值最高(3.56 m A cm-2),与Pt/C相当,是MC的1.78倍。酸浸有利于进一步提高催化剂的ORR活性,Fe NC@MC-A的电子转移数达到3.80,证实其ORR催化过程遵循四电子转移途径。在碱性溶液中,Fe NC@MC的JL值最高(3.67 m A cm-2),接近商用Pt/C,酸浸后ORR催化活性略微下降,遵循高效的四电子途径进行ORR催化。Fe NC@MC和Fe NC@MC-A在MFC中的最大功率密度分别为1052.5 m W m-2和1126.3 m W m-2,是MC的1.56倍和1.67倍;在锌空气电池中的最大功率密度分别为94.0 m W cm-2和93.7 m W cm-2,约为商用Pt/C的2倍、MC的4倍;在2～100 m A cm-2电流密度范围内表现出良好且稳定的放电性能。

微生物燃料电池阳极生物膜的保护与功率输出的优化研究

这是一篇关于微生物燃料电池,凝胶生物阳极,耐氧性能,电容电极,电压反转,功率骤降的论文, 主要内容为微生物燃料电池(MFC)是一种利用电活性微生物氧化降解有机小分子,将化学能转化为电能的电化学装置。近年来,关于MFC的理论基础研究已取得了巨大的进展,然而其实际应用,特别是污水处理,还受到了极大的限制。一方面,当溶液中氧含量增大时,MFC阳极的厌氧电活性微生物的生物电化学活性会受到严重抑制甚至完全失去。因此,MFC技术难以与传统的好氧污水处理技术相融合。另一方面,MFC的输出不稳定,单个MFC容易产生功率骤降,而且串联MFC电池组容易发生电压反转,严重降低MFC的功率输出。针对上述问题,本论文一方面采用物理交联的聚乙烯醇(PVA)水凝胶对电活性微生物膜进行保护,以提高其耐氧性能;另一方面开发具有高电容的多孔碳泡沫(CF)材料作为MFC的阳极,以消除MFC的功率骤降和电压反转,提高MFC的功率输出。第一部分以炭黑修饰的不锈钢网作为阳极,在其上生长电活性微生物膜形成生物阳极;接着采用液氮冷冻/解冻物理交联的PVA对生物阳极进行包裹固定,制备水凝胶微生物阳极。扫描电子显微镜(SEM)形貌表征显示,液氮冷冻/解冻制备的PVA凝胶内部呈现规则的管状结构。MFC全电池性能测试显示,基于PVA水凝胶生物阳极的MFC可产生的最大电流密度为1.40 mA cm-2,功率密度为1200 mW m-2,与未包裹凝胶的不锈钢网电极的产电性能相近。生物阳极的耐氧性能测试显示,在曝纯氧的条件下,水凝胶生物阳极的电活性没有受到很大影响,以其构建的MFC的功率输出也基本保持不变;而没有水凝胶包裹的生物阳极,其电活性则急剧降低,这说明水凝胶生物阳极具有优异的耐氧性能。水凝胶生物阳极的耐氧性能主要归功于PVA水凝胶降低了氧气扩散速率,阻碍了氧气向电活性生物的扩散。第二部分采用高温炭化三聚氰胺泡沫制备了柔性炭泡沫(CF)。CF具有较大的孔隙率和孔隙结构,有利于电活性微生物的生长。以900℃炭化的厚度为4 mm的碳泡沫(简称CF-900-4)作为阳极,可产生4.2 mA cm-2的电流密度。基于CF-900-4阳极和空气阴极的组成的MFC,其功率密度高达3100 mW cm-2。此外,CF具有优异的机械性能,能够替代传统刚性的炭基材料,为MFC的实际应用提供了可能。第三部分研究了电容型电极对MFC的功率骤降和其在串联时产生的电压反转现象的影响。经过测试发现CF-900不仅是一种性能优异的MFC阳极材料,还是一种出色的电容材料。充放电测试结果显示CF-900的比电容值高达111 F g-1。将CF-900-4与空气阴极组装成MFC后发现单个电池不会发生功率骤降现象;MFC在串联时也不会发生电压反转。因此,电容型的材料可以优化MFC的功率输出。

针对微生物燃料电池扩大化的新型空气阴极开发研究

这是一篇关于微生物燃料电池,空气阴极,石墨毡,不锈钢网,粘结剂,水压,双层催化层结构的论文, 主要内容为能源与环境问题已经成为当今社会人们最受关注的话题之一,微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)作为一种新型污水处理及能量回收技术,获得了广泛的关注。MFC扩大化应用有两种途径:(1)堆叠型扩大化,通过多个小、中型MFC堆叠连接实现扩大化应用;(2)单体大尺寸MFC扩大化,即扩大单个MFC体积实现扩大化应用。空气阴极MFC是扩大化的最佳选择,其中空气阴极是整个MFC系统性能和成本的限制因素。因此,针对两种MFC扩大化途径分别设计和优化阴极种类及结构具有重要意义。针对堆叠型MFC扩大化,以石墨毡为集电体、活性炭为催化剂制作石墨毡-活性炭阴极,在典型小型MFC中优化催化剂负载、扩散层负载,通过耐水压测试及中型MFC考察了石墨毡-活性炭阴极用于堆叠型MFC扩大化的可行性。结果表明:石墨毡-活性炭阴极最佳制作条件为催化剂活性炭负载20 mg·cm-2、扩散层PTFE负载80 mg·cm-2。以 28mL 小型 MFC 测得的最大功率密度(Maximum Power Density,MPD)为 1472.3 ± 10.6 mW·m-2,运行3个月后产电功率仅下降6.0%,初始(第4个周期)产电功率比泡沬镍-活性炭阴极高28.7%,单位产电成本为220.9 ￥·M-1,比泡沫镍-活性炭阴极低6.6%,具有良好的产电性能、稳定性和经济可行性。在中型MFC中阴极具有良好的长期运行稳定性,340mL中型MFC运行4个月后MPD达到136.2 W·m-3;4.5L中型MFC运行2个月后MPD达到6.5W·m-3。由此可知,石墨毡-活性炭阴极可用于堆叠型MFC扩大化。针对单体大尺寸MFC扩大化,以不锈钢网为集电体、活性炭为催化剂制作不锈钢网-活性炭阴极,并在28mL小型MFC上连接水管构建模拟大尺寸MFC水压的柱状水压反应器,研究了水压及粘结剂量对阴极性能的共同影响。结果表明:适当提高阴极PTFE粘结剂量可提高阴极在高水压下的产电性能进而提高MFC产电功率,但不影响MFC的启动过程及阳极性能;随着水压增加,阴极产电性能呈先增加而后降低,水压对阴极产电性能的影响与阴极氧气传质系数、基质消耗速率、阴极水淹等多个因素有关。此外,水压增加延长MFC启动时间、降低MFC阳极性能,这可能与产电微生物受环境变化影响、阴极透氧量、微生物代谢及电化学活性、基质浓度等有关。在单层催化层阴极研究的基础上,通过改变阴极厚度方向粘结剂含量开发了双层催化层结构的阴极,结果表明:双层催化层阴极有效降低了水压对阴极性能的影响,提高了 MFC的产电功率和长期运行的稳定型。研究发现:减少外层催化层(靠近溶液侧)的PTFE粘结剂同时增加内层催化层(靠近不锈钢网侧)的PTFE粘结剂时,双层催化层结构可提高不锈钢网-活性炭阴极的产电性能和运行稳定性。当外层催化层的活性炭与PTFE质量比为12:2、内层催化层的活性炭与PTFE质量比为12:3时,双层催化层阴极(DP3P2)MFC在第12天的平均MPD达到1502.7±52.1 mW·m-2,比单层催化层阴极MFC的高1.7%。运行3个月后,双层催化层阴极MFC的产电功率下降15.8%,而单层催化层阴极MFC的产电功率下降21.7%,此时双层催化层阴极MFC的产电功率比单层催化层阴极MFC的高9.5%。DP3P2阴极MFC在250mmH2O水压时运行至第12天的MPD达到1564.8±47.8mW·m-2。双层催化层不锈钢网-活性炭阴极能够在2000 mmH2O下长期稳定运行,且产电功率和稳定性高,适合用于单体大尺寸MFC。

阴极材料对微生物燃料电池性能与微生物群落结构的影响

这是一篇关于微生物燃料电池,空气阴极,电极材料,生物电化学,微生物群落结构的论文, 主要内容为目前,人类社会面临着严峻能源挑战和环境问题。人类文明的发展离不开大量能源资源的利用,发展所产生的污染又对人类的生存环境造成了极为严重的破坏。而微生物燃料电池(MFC)技术的出现,为同时解决能源和环境污染提供了一种新的思路,它能将污水中的化学能转化为可以供生产使用的电能,在净化环境的同时也提供了一种绿色能源。然而,MFC技术自身依旧存在着一些瓶颈,阻碍了这项技术在工程中的应用,如造价高、能量转化效率低、扩大化困难等。针对MFC造价高的问题,本文在传统的空气阴极理论和方法的基础之上,提出了新的空气阴极制备方式,并对几种不同的空气阴极进行了讨论。本文以“三明治”阴极结构理论为基础,提出了一种活性炭、不锈钢网及建筑防水透气膜为材料制作空气阴极(AC-WBM阴极)的方法,为了探究这种方法的可行性,通过构建MFC与传统碳布阴极(Pt-CC)和两种铂碳-不锈钢网-建筑防水透气膜阴极(Pt-on-SSM和Pt-on-WBM)进行性能对比。以2 g/L乙酸钠为底物,AC-WBM阴极的最大功率密度达到了0.96 W/m2,低于Pt-CC阴极的1.30 W/m2。但是鉴于成本比较低,所以认为该制备方法有一定的研究价值。在验证了AC-WBM阴极具有一定的可行性之后,使用了碳黑(CB)-PTFE混合层、聚乙烯薄膜(PE)和热塑聚氨酯薄膜(TPU)对建筑防水透气膜进行替换,其中,AC-CB阴极和AC-TPU阴极的最大功率密度分别达到了2.15 W/m2和2.03 W/m2,而相同条件下的Pt-CC阴极只达到了1.51 W/m2。通过对几种阴极进行综合比较后,以综合评价最优的AC-TPU阴极利用管式反应器进行了扩大化实验。最后,为了探究不同材料阴极对MFC体系中微生物群落的影响,通过Illumina Hi Seq测序平台进行了16S r RNA基因测序,并分析了不同MFC中阴极和阳极上生物群落的差异。阳极上的微生物组成和阴极上的微生物组成具有明显区别。阳极上主要的门为Proteobacteria,主要的优势的细菌为Geobacter属(3875%),从阳极生物群落结构可以看出各组MFC系统的阳极产电微生物富集情况良好。而不同类型的阴极对阴极上的微生物群落结构有着较大的影响。整体来看,不同阴极对于MFC的性能具有一定的影响。

纳米四氧化三铁负载腐殖酸掺杂阳极的微生物燃料电池性能研究

这是一篇关于腐殖酸,纳米四氧化三铁,阳极,电子传递能力,微生物燃料电池的论文, 主要内容为腐殖酸(Humic Acid,HA)作为天然外源性电子穿梭体在加速自然环境物质的生物地球化学转化过程当中起到了非常重要的介导作用。探究腐殖酸具有的电子穿梭能力在微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)中的应用潜能,将为微生物燃料电池技术的发展提供新思路。本研究采用双腔室结构微生物燃料电池来探究腐殖酸介导电子传递的能力,同时以超级电容材料纳米四氧化三铁来负载腐殖酸制备稳定的复合材料(HA@Fe3O4),并用其掺杂自制的XC-72炭黑/不锈钢丝网阳极,探究掺杂阳极对所构建的双室微生物燃料产电性能和稳定性的影响及机质。该研究为具有良好电子传递能力的腐殖酸在微生物燃料电池当中的应用提供了新的思路和研究基础,具体结论如下:(1)腐殖酸的电子穿梭能力极大地提高了电活性微生物与阳极之间的电子传递效率,其中6.67%的腐殖酸掺杂阳极组微生物燃料电池,其最大产电功率密度比空白组增大了107%;而最优比例(6.67%)的HA@Fe3O4掺杂的阳极组则进一步提高了最大产电功率密度至1487.06 m W m-2,其相较于空白组增大154%。(2)HA或HA@Fe3O4掺杂阳极组与空白组相比,都极大程度地降低了电极反应的活化损失能,提高了掺杂阳极的稳定性;另外,掺杂阳极组具有比空白组更小的电荷传递阻抗,这促进了电活性微生物放电子效率的提高,且增强了其催化降解底物的水平。(3)循环伏安结果发现HA或HA@Fe3O4掺杂阳极都与细胞色素C之间建立了较好的导电传电子通路,但HA@Fe3O4与微生物之间的作用关系更强,其循环伏安扫描得到的氧化峰电流更大,表明纳米四氧化三铁的加入促进了腐殖酸介导电子向阳极传递的过程速率。(4)生物多样性研究发现掺杂阳极与未掺杂阳极在表面富集的微生物种类上存在较大差异,HA或HA@Fe3O4掺杂阳极的确影响了阳极表面的微生物种群,但后者掺杂阳极表面检测到的微生物多样性要大于前者,且其阳极表面观察到的生物膜致密度明显更大。

微生物燃料电池阳极生物膜的保护与功率输出的优化研究

这是一篇关于微生物燃料电池,凝胶生物阳极,耐氧性能,电容电极,电压反转,功率骤降的论文, 主要内容为微生物燃料电池(MFC)是一种利用电活性微生物氧化降解有机小分子,将化学能转化为电能的电化学装置。近年来,关于MFC的理论基础研究已取得了巨大的进展,然而其实际应用,特别是污水处理,还受到了极大的限制。一方面,当溶液中氧含量增大时,MFC阳极的厌氧电活性微生物的生物电化学活性会受到严重抑制甚至完全失去。因此,MFC技术难以与传统的好氧污水处理技术相融合。另一方面,MFC的输出不稳定,单个MFC容易产生功率骤降,而且串联MFC电池组容易发生电压反转,严重降低MFC的功率输出。针对上述问题,本论文一方面采用物理交联的聚乙烯醇(PVA)水凝胶对电活性微生物膜进行保护,以提高其耐氧性能;另一方面开发具有高电容的多孔碳泡沫(CF)材料作为MFC的阳极,以消除MFC的功率骤降和电压反转,提高MFC的功率输出。第一部分以炭黑修饰的不锈钢网作为阳极,在其上生长电活性微生物膜形成生物阳极;接着采用液氮冷冻/解冻物理交联的PVA对生物阳极进行包裹固定,制备水凝胶微生物阳极。扫描电子显微镜(SEM)形貌表征显示,液氮冷冻/解冻制备的PVA凝胶内部呈现规则的管状结构。MFC全电池性能测试显示,基于PVA水凝胶生物阳极的MFC可产生的最大电流密度为1.40 mA cm-2,功率密度为1200 mW m-2,与未包裹凝胶的不锈钢网电极的产电性能相近。生物阳极的耐氧性能测试显示,在曝纯氧的条件下,水凝胶生物阳极的电活性没有受到很大影响,以其构建的MFC的功率输出也基本保持不变;而没有水凝胶包裹的生物阳极,其电活性则急剧降低,这说明水凝胶生物阳极具有优异的耐氧性能。水凝胶生物阳极的耐氧性能主要归功于PVA水凝胶降低了氧气扩散速率,阻碍了氧气向电活性生物的扩散。第二部分采用高温炭化三聚氰胺泡沫制备了柔性炭泡沫(CF)。CF具有较大的孔隙率和孔隙结构,有利于电活性微生物的生长。以900℃炭化的厚度为4 mm的碳泡沫(简称CF-900-4)作为阳极,可产生4.2 mA cm-2的电流密度。基于CF-900-4阳极和空气阴极的组成的MFC,其功率密度高达3100 mW cm-2。此外,CF具有优异的机械性能,能够替代传统刚性的炭基材料,为MFC的实际应用提供了可能。第三部分研究了电容型电极对MFC的功率骤降和其在串联时产生的电压反转现象的影响。经过测试发现CF-900不仅是一种性能优异的MFC阳极材料,还是一种出色的电容材料。充放电测试结果显示CF-900的比电容值高达111 F g-1。将CF-900-4与空气阴极组装成MFC后发现单个电池不会发生功率骤降现象;MFC在串联时也不会发生电压反转。因此,电容型的材料可以优化MFC的功率输出。