【摘 要】
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随着经济的快速发展和人们生活水平的提高,全球能源匮乏和水污染问题也日益严重,探索清洁高效的能源和废水处理技术迫在眉睫。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells,MFCs）是一种能同时处理废水和产生电能的能源技术。然而,其低功率输出、高成本阻碍了实际应用。针对以上问题,本论文通过开发廉价易得的生物质衍生的阳极材料,优化和设计材料特性,制备了高性能和低成本的电极,实现了MFCs的高电能
【基金项目】
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广西自然科学基金《高效微生物燃料电池制备及其在造纸工业中应用潜力研究》项目；
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随着经济的快速发展和人们生活水平的提高,全球能源匮乏和水污染问题也日益严重,探索清洁高效的能源和废水处理技术迫在眉睫。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells,MFCs）是一种能同时处理废水和产生电能的能源技术。然而,其低功率输出、高成本阻碍了实际应用。针对以上问题,本论文通过开发廉价易得的生物质衍生的阳极材料,优化和设计材料特性,制备了高性能和低成本的电极,实现了MFCs的高电能输出和废水处理。具体结论如下:（1）通过无模板法以单宁酸为原料制备了具有规则、均一的球形结构的碳纳米粒子（HPCN）和碳纳米粒子复合聚苯胺材料（HPCN-PANI）,HPCN-PANI具有均匀的纳米尺寸、微孔为主的多孔结构、杂原子C、N、P、S和Co掺杂的特点。HPCN-PANI修饰碳布阳极（HPCN-PANI/CC）的欧姆电阻（1.526Ω）和电荷转移内阻（4.523Ω）远低于CC（7.443Ω和24.473Ω）、PANI/CC（6.356Ω和11.236Ω）和HPCN/CC（2.225Ω和5.891Ω）,该阳极的制备成本约为45.66$/m~3,与目前大部分纳米碳基阳极相比,其成本显著降低。（2）探讨了HPCN-PANI材料对MFCs性能的影响。配备HPCN-PANI/CC的MFCs的输出电压为0.523 V,功率密度为2.22 W/m~2,高于目前所报告的单室MFCs。化学需氧量（Chemical Oxygen Demand,COD）去除率为94.33%,高于CC（88.34%）、PANI/CC（90.12%）和HPCN/CC（92.15%）。电荷转移电阻为1.191Ω,显著低于CC（15.722Ω）、PANI/CC（4.536Ω）和HPCN/CC（2.976Ω）,且低于目前所报告的阳极。以上表明HPCN-PANI是一种高效的阳极材料。（3）在探究HPCN-PANI材料提升MFCs性能的作用机制中发现,HPCN-PANI集成了HPCN的功能微生物富集性、PANI的微生物吸附性的优势,加强了电子转移相关的基因通路,显著增强了c型细胞色素（c-type Cytochromes,c-Cyts）与电极之间的直接电子转移过程。（4）以剩余好氧活性污泥为原料制备了污泥碳（Sludge Carbon,SC）,研究了SC对MFCs性能的影响。研究表明,1000℃碳化的SC阳极（SC1000/CC）配备的MFC的输出电压为0.501V,功率密度为2.16 W/m~2,COD去除率为97.63%,均高于本研究其他SC阳极。SC1000/CC阳极的制备成本约为32.11$/m~3,低于与目前所研究的大部分阳极。（5）在探讨SC阳极材料提升MFCs性能的作用机制中发现,SC可以影响古菌和细菌的菌群结构,且古菌与电活性细菌之间可能存在电子穿梭的电子转移,并且能够诱导细菌产生胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substance,EPS）调控生物膜的微环境,明显提高EPS中蛋白质、多糖和c-Cyts的含量,进一步影响反应器产电性能。
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