光致空穴界面提升生物阳极输出性能机制及应用

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1、密级：Ｘ５０６：公开中图分类号鑽＾為專Ｉ斯硕±学位论文论文题目：光敌空穴界面提升生物旧极输出巧能机制及应用作者姓名：梁萬翔学科专业：环境科学与工程巧巧方向：废水处理及资源化指导教师：巧华军教授—一提交日期：二〇古年月浙江工商大学硕±学位论文Ｄｉｓｓｅｒ化ｔｉｏｎＳｕｂｍｉｔ化ｄｔｏＺｈｅｉａｎｇＧｏｎｓｈａｎｊｇｇ’ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭＥＣＨＡＷＳＭＡＮＤＡＷＬＩＣＡＴＩＯＮＯＦＬ－ＨＯＬＥＳＩＮＴＥＲＦＡＣＥ

2、ＩＧＨＴＤＲＩＶＥＮＦＯ民ＥＮＨＡＮＣＩＮＧＣＵＲＲＥＮＴＯＵＴＰＵＴＯＮＢＩＯＡＮＯＤＥＩＮＭＩＣ民ＯＢＩＡＬＦＵＥＬＣＥＬＬＳＡｕｔｈｏｒ：ＹｕｘｉａｎｇＬｉａｎｇ＇Ｍａｏｒ：Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎ化１ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｉｉｎｊｇＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＨｕａｊｕｎＦｅｎｇＷ，ｋ１９ｔｌａＷＪａｎ．２０１７ＣｏｌｌｅｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｇＺｈｅｉａｎＧｏｎｇｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｊｇｇＨａｎｚｈｏｕ３

3、１００１２，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａｇ，浙江工商大学硕±学位论文光致空穴界面提升生物阳极输出性能祝制及应用摘要能源短缺和环境污染是当今中国面临的两大难题。微生物燃料电池（ＭｉｃｒｏｂｉａｌｆＵｅｌｃｅｌｌｓ，ＭＦＣｓ）利用具有跨膜电子传递能力的电活性微生物，将氧化有机质所产生的电子进行定向传输，从而实现化学能与电能的转化一，是项有望协同解决能源短缺与环保污染问题的新兴废水处理技术。但目前输出功率低下与工程材料欠缺严重限制了ＭＦＣ一ｓ的进步发展。基于此，本文利用电极表面修饰光催化材料所形成的光致空穴界面，提高生物膜／阳极界面电

4、势差，加速界面电子传递速率及微生物呼吸代谢速率，从而获得更大的输出功率；同时选用易工程放大的不镑钢拉为阳极基底材料，考察光致空穴提升其输出性能机制和工程放大的可行性。论文的主要内容和结果如下：１－〇、利用电沉积法成功将ａＦｅ２３修饰到石墨阳极外侧，修饰后的－２－阳极光电流为化７４Ａｍ（０．２Ｖ偏巧）。首次Ｗ该电极构建光电微生物燃料电池一（ＰＭＦＣ），其启动时间比常规ＭＦＣ缩短半，最大输‘２出电流提升２（８．４Ａｍ）。在开闭光条件切换下倍Ｗ上，输出电流响应迅速，表明光致空穴界面即时加速了生物膜／阳极界面电子传递速率。此外，ＰＭＦＣ生物

5、阳极的生物膜生长速率和主要产电微生物化化ｒ的丰度（８７％）也均显著高于普通ＭＦＣ，表明光致空穴界面对阳极生物膜形成具有长期促进作用，且能定向筛选并富集电活性傲生物。浙江工商大学硕±学位论文２、考察了不同光催化材料、电极基底及生物侧修饰物对于光致（０－Ｆｅ）空穴界面效果的影响。结果表明不同光催化材料１Ｓ、ＴＫＤ２和〇Ｌ２化修饰ＰＭＦＣｓ所获电流的提升倍数之间具有显著差异，ＰＭＦＣａ＿Ｐｅ２０３和ＰＭＦＣ的最大输出电流分别提升２．０和１．７倍，而ＰＭＦＣ升Ｔｉ〇２ｃｄｓ提倍数最大可达２．８倍，但随着ＣｄＳ光催化材料的失效其输出电流会回

6、落至ＭＦＣ同等水平。光致空穴界面同样可Ｗ加速不铸钢基底阳极表面的生物膜形成速率，并提升输出功率，最大电流提升倍数达６倍Ｗ上。生物界面修饰碳颗粒和聚苯胺可显著影响ＭＦＣｓ输出性能，其最２大输出电流分别为９．２和４．６ＡｒｒＴ，但光致空穴界面仍提升输出电流２．０倍。综上推测光催化材料和电极基底材料是影响光致空穴界面效果的主控因子。３、首次在工程材料不诱钢电极上分别构建了碳微粒薄膜、聚苯、、胺中性红亲水性基团和铁氧化物五种改性层，并探究了其对于ＭＦＣｓ输出性能的影响。结果表明碳微粒薄膜和聚苯胺修饰的阳极具２有优异的比表面积和生物兼容性，从

7、而分别提升ＭＦＣｓ（３Ａｎｆ）输２２出电流至ＢＡｎｆ和９ＡｎＴ。中性红基团修饰通过加速生物膜与电２．ｎＴ极间的电子传递，提高输出电流至４５Ａ。亲水性基团修饰则通过２提升微生物在电极表面的成膜速率，提高输出电流至６Ａｎｆ。基于此－Ｆ，本研究Ｌ：Ａａｅ２〇３作为光催化层、Ｓ维不绣钢超作为基底、碳微粒负载作为生物层修饰技术首次设计了一种高性能的复合Ｈ维不诱２钢鞋光辅助阳极，最大面积电流密度在光激发下从２６ＡｎＴ提升至—２—３４６Ａｍ，体积电流密度达２０．９ｋＡｍ，性