一维多孔碳纳米纤维阳极微生物燃料电池的探索研究

The present project is proposed to target a facile synthetic route to novel carbon nanostructures with high surface area and high conductivity, in which the one-dimensional and porous structures are designed to be combined into one materials, namely, porous carbon nanofibres. The designed porous carbon nanofibres will be further modified based on the unique properties and requirement of the anodes of microbial fuel cells (MFC). The functionalized element or compounds could be further anchored on the surface of porous carbon nanofibres with the purpose of promoting the bio-compatibility, in this way enabling us to develop high-performance MFC with high output current density and power density. The proposed program is expected to result in optimized anode for MFC system, which may provide an economical, green and regenerated power and realize the degradation of the organic pollutant.

本申请项目致力于发展一种简便价廉的合成方法，制备具有高比表面、高孔隙率、导电性良好的新型结构碳基纳米材料，即兼具一维和多孔结构特点的一维碳纳米纤维。通过物理吸附或电化学方法分别将功能化元素或化合物修饰在多孔炭纳米纤维的孔道或表面，构建可用作微生物燃料电池阳极的电极材料。由于该复合物新型的结构特点及其独特的理化性质，有望大大提高微生物燃料电池的工作电流密度和功率密度，以实现降解污水中有机物的同时，获得一种经济、绿色、可循环的能源。

微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。目前微生物燃料电池主要弊端是：输出功率低下，难以实现商业化。阳极电极材料作为微生物催化反应及电子传输的场所，能显著影响微生物燃料电池的性能。本项目以研制兼具一维/多孔结构的碳基纳米材料为出发点，设计导电性优异、比表面高且孔道结构可控的碳基纳米复合材料为电极，构建高效产电微生物燃料电池阳极材料。其一，以多孔硅纳米纤维为模板，以葡萄糖为碳源，制备出具有高比表面、孔径可调、导电性好的一维多孔碳纳米纤维。通过掺杂非金属原子（如 N，B 等）、沉积过渡金属离子氧化物(如 Fe3O4, ZnO, TiO2)或者修饰导电性聚合物(如聚苯胺)，以调控一维多孔碳纳米纤维的表面结构与性质，研究不同表面性质的一维碳纳米纤维对产电微生物的影响；其二，以不同功能化的一维碳纳米纤维复合物为阳极，设计并搭建“公共阴极-多室阳极”结构类型的微生物燃料电池，以实现对不同一维碳纳米纤维复合物阳极微生物燃料电池性能的平行评估。探索不同组分、掺杂、表面修饰方法及一维碳纳米纤维复合物的结构、形貌和组分对微生物燃料电池各项性能指标的影响，获得综合催化性能最佳的微生物燃料阳极催化剂。