微生物燃料电池中新型阳极微生物固定方法研究

邢达杰+周蓉+李卓儒

摘 要：利用苯胺/聚乙烯醇复合导电水凝胶包埋大肠杆菌作为阳极构建微生物燃料电池。此电池的最高功率密度超过400mW·m-2，而电池内阻则降低到大约151Ω。这证明新的阳极微生物固定方法能够促进微生物燃料电池性能的提高。

关键词：微生物燃料电池；导电水凝胶；包埋；内阻；功率密度

中图分类号：Q93 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）28-0067-02

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell， MFC）是一种可以通过微生物的催化作用直接將水中污染物中的化学能转化为电能的装置[1]。因此，MFC被看做一种能在处理水中污染的同时产生电能的环境友好的新能源装置。但由于MFC输出功率的局限尚没有得到广泛的实际应用。目前在该领域的研究大多集中于提高MFC性能，其中阳极的材料和结构改进成为热点之一[2]。

导电聚合物材料因为良好的性能在MFCs阳极改进研究中得到了广泛应用，并取得了良好的效果[3]。2012年，Pan等合成出了一种电导率达到0.6S·cm-1的聚苯胺水凝胶[4]。本文中利用聚乙烯醇与这种聚苯胺水凝胶混合形成一种复合导电水凝胶，并利用该种复合导电水凝胶包埋大肠杆菌制备了一种结构新颖的MFC阳极，在提高MFC功率及降低内阻方面取得了较好效果。

1 材料与方法

1.1 微生物电极制备

在2.0mL4%的聚乙烯醇溶液中加入0.46mL苯胺和0.92 mL50%的植酸配置成溶液A。称取0.25g过硫酸铵溶解于0.5mL去离子水中制得溶液B。在溶液A中加入20mg大肠杆菌后，将A、B两种溶液冷却至4℃后混合，至于-10℃下2h，凝固于4℃下融化，反复三次形成包埋有大肠杆菌的绿色导电水凝胶，即构成微生物电极。

1.2 MFC电池的组装及内阻测试

使用上述微生物电极作阳极，碳纸作为阴极构建双室MFC电池。在LB培养基中加入2g·L-1葡萄糖和80μmol·L-1NR作为阳极室溶液。用pH值为7.0的0.1mol/L磷酸缓冲溶液作溶剂配制成0.1mol·L-1铁氰化钾溶液作为阴极室溶液。

电池外接1000Ω电阻作为负载，待运行稳定后，利用稳态法测量MFC电池在不同外阻下放电时的外电阻电压，通过公式I=U/R及P=U2/R计算得到电池在不同阻值下的电流及功率，并对功率和电流作图得到功率曲线。

1.3 微生物电极的电镜观察

从运行稳定后的阳极表面切取样品，浸入2.5%的戊二醛溶液中2h，对电极中的大肠杆菌进行固定化处理，然后依次在30%、50%、70%、80%、90%及无水乙醇中各浸泡30min进行脱水，再经过冻干处理后进行扫面电镜观察。

2 结果与讨论

2.1 微生物燃料电池性能

微生物燃料电池运行稳定后，电池的开路电压稳定在0.6V左右。对稳定后的MFC进行稳态放电试验来测得该MFC准确的内阻值，通过计算得到相应的电流密度及功率密度，作图得到极化曲线而功率曲线[5]，见图1。

图中极化曲线可分成了活化极化区、输欧姆极化区和浓差极化区。对欧姆极化区内极化曲线进行拟合，计算出MFC内阻为151Ω，与最高功率密度下所对应的内阻值接近，表明此数值基本可以反映MFC电池内阻[6]。与文献报道中以碳材料作为阳极的MFC内阻进行比较，采用导电水凝胶包埋大肠杆菌做阳极的MFC内阻处于较低水平。

MFC内阻主要由活化内阻、欧姆内阻和传质内阻构成。活化内阻主要由微生物向电极表面传递电子受到的阻力引起 [7]。复合导电水凝胶包埋产电微生物增加了微生物与电极接触面积可有效降低活化内阻。欧姆内阻主由质子向阴极扩散所受阻力引起。导电水凝胶包埋产电微生物形成了三维电极结构，有利于质子扩散从而降低欧姆内阻。传质内阻主要是在产电微生物与溶液间的物质传递过程中产生，包埋操作使产大肠杆菌分散在导电水凝胶中，使之不能形成紧密的菌膜，这有利于底物葡萄糖和微生物代谢产物的扩散，这也有利于传质内阻的降低。

复合导电水凝胶包埋大肠杆菌构建的MFC的最高功率密度达到400mW·m-2，处于相对较高的水平。这是由于导电水凝胶包埋大肠杆菌可以在MFC阳极上富集更多的产电微生物。导电水凝胶包埋方式富集产电微生物，电极材料内部及表面都可以有微生物分布（图2）。这就增加了产电微生物在电极上富集的数量，对MFC输出功率的提升极为有利。

3 结束语

使用复合导电水凝胶胶包埋大肠杆菌制备而成的MFC阳极，由于导电水凝胶包埋大肠杆菌方法可在增加阳极微生物负载数量同时改善微生物的分布状态，使MFC获得较高的功率输出和较低的内阻，展现了导电水凝胶包埋产电微生物构建MFC阳极这种方法的潜在优势。导电水凝胶包埋产电微生物的方式所构建的新型阳极在MFC的性能改善方面将发挥更大的作用。

参考文献：

[1]Wang H P， Jiang S C， Wang Y， et al. Substrate removal and electricity generation in a membrane-less microbial fuel cell for biological treatment of wastewater. Bioresour. Technol，2013，138（6）：109-116.

[2]Li S， Cheng C， Thomas A. Carbon-Based Microbial-Fuel-Cell Electrodes： From Conductive Supports to Active Catalysts. Adv. Mater，2016：1602547.

[3]Ghasemi M.， Wan R W D， Hassan S H A， et al. Nano-structured carbon as electrode material in microbial fuel cells： A comprehensive review. J. Alloys. Compd. 2013，580（32）：245-255.

[4]Pan L， Yu G， Zhai D， et al. Hierarchical nanostructured conducting polymer hydrogel with high electrochemical activity[J].PNAS，2012，109（94）：9287-9292.

[5]梁鹏，范明志，曹效鑫，等.微生物燃料电池表观内阻的构成和测量[J].环境科学，2007，28（8）：1894-1898.

[6]A Fraiwan1， SP Adusumilli， D Han， et al. Microbial Power-Generating Capabilitieson Micro-/Nano-Structured Anodes[J].Fuel cell， 2014，14（6）：801-809.

[7]陈妹琼，程发良，郭文显，等.微生物燃料电池阳极材料的最新研究进展[J].电源技术，2015（4）：857-860.endprint