1.4 MFC的生物阴极
最近的研究表明:阴极是制约MFC产电的主要原因之一,由于MFC的阴极通常以氧气作为电子受体,从氧的还原动力学看,氧的还原速度慢直接影响了MFC的产电性能,于是研究者开始在阴极中加入各种催化剂来提高氧气的还原速率。根据阴极催化剂种类可以将MFC阴极分为非生物型阴极(abioticcathode)和生物型阴极(biocathode)[45]。
非生物型阴极常用的催化剂主要有Pt、过渡金属元素等。目前,Pt是使用最广泛的高效催化剂,用Pt催化电极反应可以使MFC的产电性能提高近4倍。但是Pt的价格昂贵,极大地增加了MFC的成本,不适于MFC的规模化应用。过渡金属元素,如铁和钴,也是合适的电子介体,因为它们能在各自的氧化还原态之间快速地转化。
非生物型阴极虽然能显著提高MFC的产电性能,但是其成本高、稳定性差、容易造成催化剂污染。为了克服非生物阴极的缺点,研究者们考虑用微生物体内的具有特定功能的酶作为催化剂,取代金属催化剂。与非生物型阴极相比,生物型阴极具有以下优点:(1)以微生物取代金属催化剂,可以显著降低MFC建造成本;(2)生物阴极能够避免出现催化剂中毒,提高MFC运行稳定性;(3)利用微生物的代谢作用可以去除水中的多种污染物,例如生物反硝化等[46]。论文网
1.5 立题依据及研究意义
考察电池启动期阳极、阴极环境因子对反应器系统性能的影响,进行环境因子与电池产电的相关性分析,考察环境因子与输出电压的相关关系,为后续运行提供运行指标参考。与空气阴极微生物燃料电池作对比,考察生物阴极的产电性能与基质利用情况。
2 实验部分
2.1 主要实验试剂与仪器
本实验采用矩形、H型两种双室微生物燃料电池,如图2-1所示。矩形双室电池阴极室和阳极室容积各为200 mL,电极、质子交换膜面积均为50 cm2,双室电池电极间距8 cm,采用石墨毡为电极材料。H型双室微生物燃料电池阴极室和阳极室容积各为500 mL,电极面积为 30 cm2,质子交换膜面积为 15 cm2,采用石墨毡为电极材料。