微生物燃料电池电纺纤维/水凝胶复合隔膜的组装、结构调控和性能研究

The major functions of separator in MFC is to keep the positive and negative electrodes apart, allow rapid transport of ionic charge carriers, but hinder the diffusion of oxygen from cathode to anode. The separator has a great impact on the performance of MFC, and its impact would be superior to the impact of electrode materials to some degree. In this project, the characteristics of hydrogel and electrospinning technology will be combined to fabricate a novel electrospun fiber/hydrogel (EF/HG) composite membrane for separator in MFC. The main content of this project will include (1) adjusting 3D macromolecular network structure of hydrogel and exploring the mehcanism of ionic migration and oxygen diffusion in the hydrogel, (2) adjusting the porous architecture of electrospun fiber membrane and studying on its mechanical and bacterial filtration properties, (3) studying on the fabrication and antibacterial performance of electrospun fiber/hydrogel composite membrane, (4) studying on the performance and long-term stability of the composite separator in MFCs. The aim of this project are, in one aspect to ensure high rate ionic migration and low rate oxygen diffusion in the separator and obtain high power density and coulombic efficiency simultaneously in the MFC; in another aspect to solve the problem of bio-foul in the separator during the long-term operation and facilitate the practical application of MFC.

微生物燃料电池（MFC）隔膜的主要作用是将两极隔开，允许离子或质子通过，阻碍阴极的氧气向阳极扩散。隔膜对MFC的性能具有重要的影响，甚至在一定程度上可能超过电极材料。本项目拟结合水凝胶材料和静电纺丝技术的特点，构建一种新型的电纺纤维/水凝胶复合膜材料，用于作为MFC的隔膜。本项目的研究内容将包括（1）水凝胶三维高分子网络结构的调控及其离子迁移和氧气扩散机制的探索，（2）电纺纤维膜孔隙结构的调控，及其机械性能和过滤细菌性能研究；（3）抗菌电纺纤维/水凝胶复合隔膜的组装及抗菌性能研究和（4）复合凝胶隔膜在MFC中的产电以及长期运行稳定性能研究。本项目研究旨在，一方面保证隔膜中离子的快速迁移和氧气的慢速扩散，使MFC同时具有高的功率密度和库伦效率；另一方面解决MFC隔膜的微生物污染问题，提高MFC长期运行稳定性，推进MFC的实际应用。

微生物燃料电池（MFC）是利用微生物分解有机物，将化学能转化为电能的一种电化学装置。MFC可以利用污水中的有机废弃物为燃料，因此具有去污和产能双重功效。近年来，尽管MFC及其相关的微生物电化学理论和技术取得了巨大的进展，然而其实际应用，特别是污水处理，还是受到了极大的限制。主要的原因是目前MFC的性能（产电）较低，从而导致较去污效率也较低。就MFC目前的性能水平而言，还难以取代传统的污水处理技术。因此本项目设想：能否将MFC与传统的污水处理技术相结合？将MFC与传统的污水处理技术，如好氧生物膜，相结合首要解决的问题的是如何让MFC中阳极的生物膜耐受污水中的恶劣环境，如好氧、高的污水强度、酸碱性、以及水力扰动等，保持较高的电化学活性。由于水凝胶中的离子扩散系数比溶液中低，为了实现这个目标，本项目采用了水凝胶固定微生物膜的方式，来实现对电活性微生物膜的保护。.首先，我们采用冷冻/解冻物理交联的方法制备了聚乙烯醇（PVA）水凝胶，成功实现了对电活性微生物的固定和保护。研究发现，一方面，冷冻/解冻过程对电活性微生物的电活性没有负面影响；另一方面，水凝胶微生物阳极表现出以下优异的性能，（a）可耐pH>10的碱性溶液；（b）耐受100mM的高浓度底物；（c）耐受超声振动；（d）可以阻碍氧气的扩散。.接着，为了简化水凝胶生物阳极的制备步骤，同时将水凝胶微生物电极的应用范围拓宽到污水处理应用，我们对凝胶电极的制备方法进行了优化，以拓宽材料的范围。实验发现在外加电位（或电场）的驱动下，溶液中的电活性细菌可以“穿越”水凝胶进入集流体表面，并其附近增殖成电活性生物膜，从而形成水凝胶生物阳极。研究发现，该水凝胶生物电极同样具有极强的耐底物、耐高pH和耐氧性能。基于上述方法的灵活性，化学交联的水凝胶，甚至具有大孔结构的亲水性材料也可以用于固定微生物膜。.在本项目的支持下，我们同时对生物阳极的集流体进行了改进，开发了高性能的炭黑修饰的不锈钢（CB/SSM）材料用作凝胶阳极的集流体和高性能的MFC阴极氧气还原催化剂，同时开展了水凝胶电解质MFC的研究。