微生物燃料电池技术(Microbial Fuel Cells,MFCs)是将化学能直接转化成电能的装置,因其具有处理废水的同时回收清洁能量电能的优势,吸引了研究人员的广泛关注。在MFCs的研究过程中,系统产能的提高和放大化应用是亟待解决的瓶颈问题。MFCs阴极性能的优化是解决这一瓶颈问题的重要因素。本课题为揭示阴极传质过程和提升氧还原反应速率,结合微观测量与反应动力学机理,揭示了影响阴极反应速率的关键因素,探讨了促进阴极反应的条件,为进一步研究阴极反应提供了机理依据。为研究阴极传质及生物膜对阴极性能的作用机理及阴极界面的微观反应过程,采用可原位测量且不破坏物质结构的微电极系统,对阴极界面的O2、OH–、H+和氧化还原电位等进行了测定。以辊压阴极为研究对象,考察其催化层表面附着生物膜前后的界面反应过程和氧还原性能。设计了针对界面传质测定适用的半反应系统,采用铂片作为对电极,培养基为50 m M的磷酸盐缓冲溶液,测量体系为三电极体系,通过微电极系统对电极的界面反应进行测试,同时,利用电化学工作站对阴极进行恒电位设定,记录同步的计时电流变化情况。试验结果表明:阴极传质与阴极氧还原反应速率有着密切关系。阴极无膜时,设定的恒电位值越负,阴极产生的电流越大,在-0.3 V下电极反应电流为7 m A,比-0.1 V时电流高出133%,此时阴极发生的反应较为剧烈。在大的电流条件下,阴极p H值由7.0升高到10.2,氧气浓度达到4.3 mg/L。电解液p H值试验结果表明,较强的溶液碱性会加大氧气在阴极内部的传质系数,促进氧气向体系内部扩散。高浓度的氧气使阴极氧化还原电位呈还原性,此时,阴极具有较强的还原能力。当阴极表面附着生物膜后,在-0.3 V条件下,电流较无膜时下降了57%,生物膜内部p H值持续累积,达到13.5。检测到的阴极界面氧气值浓度几乎为0,氧气含量降低,氧化还原电位升高240 m V,阴极还原性能下降。可见,生物膜不仅对氧气有巨大的消耗作用,还抑制了O2和OH–向主体溶液的传质,不利于氧还原反应的进行。生物膜在阴极表面的富集对O2和OH–的传质限制作用导致了阴极以及系统性能的降低,阴极催化能力下降2 A/m2,总内阻增大160%,系统输出电压下降60 m V,功率密度减少了33%。至此,若能调控阴极物质的传质或者减少生物膜的附着将会促进MFCs系统性能的大大加强。