同步产电和储能的MFC中三维开放大孔结构MnO2（聚合物）/碳/海绵电容性生物阳极材料的可控合成及其性能研究

Microbial fuel cell (MFC) is a novel technology which can achieve organic waste processing and clean electric energy production at the same time. To match the production and demand of the electricity in MFC of low output power, it is important to exploit an integrated MFC system with the cogradient storage and production of electricity. This project intends to construction of 3D interconnected macroporous multilayered MnO2(PANI) /carbon / sponge composite as capacitive bioanode material for MFC with the cogradient storage and production of electricity, which is prepared by self-assembling and situ-deposition, and research the impact of preparation condition on the structural properties of materials, discuss the inherent laws of the composition, microstructure and the electrochemical properties of the materials, reveal the mechanism of energy production and energy storage, realize the design controlled to the structure and function of the 3D nano-materials. We will investigate the influencing factors on producing electricity, energy storage and waste water treatment performance of the MFC with an internal capacitor and their function mechanism, and provide basic research data to construct an integrated MFC system with high power density, high capacitance and cycling stability, lay the foundation for the practical application of MFC technology.

微生物燃料电池(MFC)是一种可同步实现有机废弃物处理和清洁电能生产的新型技术。但MFC的输出功率低，为了使产电和用电需求相匹配，必须有效的储存MFC产生的电能，因此可同步产电和储能的一体化MFC系统的开发具有重要意义。本项目拟采用自组装和原位沉积的方法开展同步产电和储能的MFC系统中三维开放大孔结构多层次二氧化锰（聚合物）/碳/海绵电容性生物阳极材料的空间构筑，并对其结构和电化学性质开展系统地研究。通过制备条件对结构特性的影响，深入探讨材料的组成和微观结构与其电化学性能之间的内在规律，揭示材料的储能和产电机理，复合材料中各组分协同作用的本质，实现3D纳米材料结构与功能设计可控。考察带有内电容的MFC系统的产电、储能和废水处理效能的影响因素及其作用机制，为构建具有高功率、高容量和良好循环稳定性的同步产电和储能的MFC提供新的思路和基础研究数据，为MFC工艺实际应用奠定基础。

微生物燃料电池(MFC)是利用微生物为阳极催化剂，将储存在有机物中的化学能转化为电能的装置。但较低的输出功率限制了其实际应用。为了使产电和用电需求相匹配，必须有效的储存MFC产生的电能。本项目制备了多种不同组成的三维开放大孔结构MnO2（聚合物）/碳/海绵电容性生物阳极，并研究了以其为阳极的MFC同步产电和储能的性能。.选择赝电容材料二氧化锰和聚苯胺等为主要活性物质，制备了3D 大孔MnO2/纳米碳/海绵材料、聚合物/纳米碳/海绵材料、MnO2和聚合物复合修饰海绵材料等多种电容性电极材料，通过电化学性能分析，解析了构效关系；研究了以制备电极为阳极构建的带有内电容MFC的产电和储能，阐释了电容性阳极提高产电和储能的机理。通过高通量测序技术分析电极材料对电极表面微生物群落分布和产电的影响和机理。结果表明，二氧化锰和聚苯胺两种赝电容材料复合修饰的电极的性能最好。采用化学沉积法制备的3D MnO2/PANI/NCNT/S阳极具有连续开放的大孔结构和高的比表面积，为微生物的附着提供了更多空间，并有利于快速传质。该阳极具有高的生物电催化活性，以其为阳极的MFC的最大功率密度为11.8 W/m3，MFC的总放电量达到11042C/m2。此外采用天然多糖高分子壳聚糖与聚苯胺进行接枝改性，制备了CS-NCNT-PANI/NCNT/S阳极，以其为阳极的MFC最大功率密度是PANI/NCNT/S阳极MFC的最大功率密度的1.87倍。高通量测序技术分析表明，天然多糖高分子的引入提高了电极的生物相容性，使得更多的电活性细菌在电极上富集，形成的菌落结构生物多样性增强，各种产电菌的协同作用提高了MFC的产电能力。.项目还考察了带内电容的MFC强化污染物的去除效应和作用机制，研究了阴极室铬的还原和阳极室染料脱色和有机物降解过程，分析了影响带内电容阳极MFC中污染物去除效果和产电的影响因素。.以上研究结果表明，本项目成功制备了多种三维开放大孔结构二氧化锰（聚合物）/碳/海绵电容性电极材料，构建出了高性能的集产电和储能一体的MFC系统，该研究具有重要的理论和实际应用前景。