Small Methods: 基于细菌-碳纳米管三维交互薄膜结构的微生物燃料电池阳极

微生物燃料电池是一种利用某些特定细菌(例如希瓦氏菌)的生物代谢过程,将储存在有机物中的化学能转换为电能的能量转换装置。因其具有自身可持续性生物修复与产电的优势,在清洁环境,能量存储与转换领域占据重要地位。如何提升微生物燃料电池的综合性能指标,包括提高功率输出水平,缩短器件启动时间等,是微生物发电的研究重点。通过合理的阳极(包含细菌与集流体两部分)结构设计以增加发电细菌可附着的电极面积,被认为是应对以上挑战的一个关键。凭借其较高的比表面积,具有多孔结构的阳极长期以来受到关注。然而较大的细菌尺寸(例如希瓦氏菌2.5微米长,0.5微米宽)使得细菌很难进入并附着在介孔/微孔电极的内表面,从而限制了单位质量和单位体积电极的表面积,导致较低的细菌载量和受限的功率密度。

近日,加州大学圣克鲁兹分校化学与生物化学系李轶(Yat Li)教授团队成功设计了一种制备产电细菌-碳纳米管三维交互薄膜的方法并将该薄膜结构应用于微生物燃料电池。在该工作中,细菌与高度分散的碳纳米管以共抽滤的方式实现细菌-碳纳米管交织结构,该交织结构状态促进了细菌新陈代谢过程的电荷传递 。同时,细菌分散在电极三维空间以内,充分利用了电极的内表面,大幅增加电极的细菌载量。除此之外,该方法可使得电极表面生物膜的形成更加迅速(图1:细菌-碳纳米管交互薄膜结构制备示意图a,以及扫描电镜形貌 b和d。标尺为5微米)。 作为对比,在同样细菌浓度培养液中,通过传统接种法20小时获得的细菌-碳纳米管电极只在电极外表面附着有限量的细菌(图1:扫描电镜形貌 c和e。标尺为5微米)。得益于该方法获得的结构,应用这种细菌-碳纳米管三维交互薄膜的微生物燃料电池器件可提供34 W m-3 (归结到阳极腔室体积) 或高达12102 W m-3 (归结阳极电极体积)的功率密度。

图1:细菌-碳纳米管三维交互薄膜结构制备示意图(a)以及扫描电镜形貌(b和d),  传统接种法20小时获得的细菌-碳纳米管电极扫描电镜形貌(c和e)(标尺均为5微米)。

电流时间曲线显示(图2), 应用纯碳纳米管电极的对照组微生物燃料电池(阳极电解液含有与三维交互薄膜等量细菌)有约6微安的较低启动电流,随后呈现电流随时间缓慢增加的趋势(3小时后达到26微安),并在12小时后达到电流输出峰值。与之形成鲜明对比的是,以细菌-碳纳米管三维交互薄膜做阳极的微生物燃料电池(阳极电解液不含细菌)展现了近十倍于对照组的启动电流输出(62.5微安),并在随后的近20小时过程中保持相对对照组的电流输出优势。该对比证实这种电极三维空间内细菌高载量分布以及快速生物膜形成的特点,利于器件跳过冗长的启动时间,因而也会大大提高微生物燃料电池的使用效率。

图2:分别应用细菌-碳纳米管三维交互薄膜(阳极电解液不含细菌,红色曲线),与纯 碳纳米管电极(阳极电解液含有与交互薄膜等量细菌,黑色曲线)的微生物燃料电池的起始电流-时间曲线对比。

该研究成果以Interpenetrated Bacteria-Carbon Nanotubes Film for Microbial Fuel Cells为题发表在近期Small MethodsDOI: 10.1002/smtd.201800152)。