基于功能聚合物的微生物-電極界面構(gòu)建及作用機(jī)制研究.pdf

1、微生物電化學(xué)系統(tǒng)(Bioelectrochemical system，BES)在實(shí)現(xiàn)從污染物治理過(guò)程回收能量的同時(shí)，還可對(duì)環(huán)境廢棄物進(jìn)行資源化轉(zhuǎn)化，有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，微生物/電極界面作用機(jī)制研究是該領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。在BES中，微生物與電極主要存在電子轉(zhuǎn)移和物理附著的聯(lián)系，但微生物附著行為和電子傳遞過(guò)程可控性差制約了其性能的提高。本文通過(guò)在微生物與電極間引入功能聚合物界面，強(qiáng)化并調(diào)控微生物與電極之間的電子傳遞過(guò)程，

2、實(shí)現(xiàn)微生物在電極表面的選擇性附著，為BES的高效穩(wěn)定運(yùn)行提供理論和技術(shù)支持。
　　針對(duì)生物附著性能差、界面電子傳遞效率低的非貴金屬電極材料，提出聚吡咯/活性炭修飾電極界面的方法，構(gòu)建復(fù)合微生物陽(yáng)極材料，加速微生物/電極間的電子傳遞。利用氮元素含量較高的馬尾藻基活性碳強(qiáng)化電極與細(xì)菌之間的親和性，同時(shí)結(jié)合聚吡咯與不銹鋼的高電導(dǎo)率和微觀三維結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電子的快速導(dǎo)出。制備的電極材料在微生物燃料電池(MFC)中的最大輸出功率密度達(dá)45.2 W

3、/m3，且電極表面微生物附著更加均勻。對(duì)聚吡咯/活性炭修飾不銹鋼材料表面電子傳遞動(dòng)力學(xué)研究表明，底物電子供體濃度相比電極電勢(shì)對(duì)陽(yáng)極電子傳遞速率有著更重要的影響。
　　通過(guò)在MFC電極引入刺激-響應(yīng)聚合物界面，構(gòu)建復(fù)合陰極材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物/電極間電子傳遞過(guò)程的間接調(diào)控。利用陰極表面嫁接pH響應(yīng)的聚四乙烯基吡啶，耦合電解液的光致pH變化，構(gòu)建可見(jiàn)光控MFC的“開(kāi)關(guān)”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于光信號(hào)的MFC電能輸出的控制。
　　電極表面附著

4、細(xì)菌的種類及豐度直接影響到電流大小和穩(wěn)定性。本文開(kāi)發(fā)了電極表面原位生長(zhǎng)細(xì)菌印跡聚合物(BIP)在方法，構(gòu)建了細(xì)菌選擇性電極，實(shí)現(xiàn)電極表面細(xì)菌的選擇性附著。利用表面引發(fā)的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合，以Shewannella oneidensis MR-1、GFP-Escherichia coli、Staphylococcus aureus和Enterococcus faecalis作為模板，利用兩種不同電性的甲基丙烯酸酯類單體制備對(duì)應(yīng)細(xì)菌的選擇性