微生物燃料电池用高导电性和生物相容性的三维多孔纳米纤维膜阳极的研究

With the previous studies on the fabrication of thermoplastics nanofiber membranes, the conductive modifications of porous and flexible materials, as well as the synthesis and surface functionalizations of polyurethane, a novel 3D porous nanofiber composite membranes with high conductivity and compatibility is designed and fabricated. A novel technique of fabricating multi-component 3D porous nanofiber composite membranes will be developed. The nanofiber composite membranes are surface modified to provide the high conductivity. The effects of the structures of nanofiber membranes, the composition of conductive layer and micro-morphology on the conductivity performance of the nanofiber membranes are investigated. A conductive polyurethane material is synthesized and surface functionalized with bio-molecules to promote the compatibility with microorganisms. The microbial-compatible and conductive PU will be prepared into nanomaterials and assembled onto the conductive composite nanofiber membranes to construct the 3D porous composite membranes with both outstanding conductivity and bio-compatibility. The further relationship between the structures and performances of highly conductive and biocompatible nanofiber composite membranes is established. In addition, the electron transfer mechanism from the bio-film to the anode is elucidated. The outcome of this study will have significant impact on the development of highly efficient microbial fuel cells and offer a creative way to construct the nano-structured devices with complex structures and multi-functions.

以前期发明的热塑性纳米纤维膜的制备技术，对多孔、柔性材料的导电化改性，聚氨酯的合成和表面功能化研究为基础，设计制备了应用于微生物燃料电池阳极的，具有高导电和生物相容性的三维多孔纳米纤维膜。发展微孔结构可控的三维多组份聚合物纳米纤维复合膜制备的新技术；研究纳米纤维复合膜的导电化途径，揭示纳米纤维膜的空间物理化学结构、导电层的组成和微观形态对导电性能的影响规律；设计和合成与细菌微生物具有高相容性的导电聚氨酯纳米材料，将其吸附、组装到导电纳米纤维膜上构筑出既有高导电性，又有优异的生物相容性的三维、多孔、多组份聚合物纳米纤维复合膜阳极材料；建立微生物在纳米纤维复合膜上附着和生长的动力学模型；深入表征高导电和生物相容性三维多组份纳米纤维膜阳极的结构与性能的关系，阐明微生物氧化有机燃料所产生的电子向阳极传递的机理，实现微生物燃料电池输电性能的飞跃，为具有复杂结构和功能的纳米纤维膜器件的研究开辟新途径。

本项目按照原定计划开展，已经完成了预期目标并形成了相应的研究成果。设计了将结构可控的聚乙烯-乙烯醇聚合物纳米纤维（PVA-co-PE NFs）与常规微米纤维（PET）复合形成多级孔隙结构的PVA-co-PE NFs/PET三维纳米纤维复合膜。以PPy（聚吡咯）、PANI（聚苯胺）、Ni等为导电物质，发展了多种高导电性和生物相容性的多孔纳米纤维复合膜，研究了既能够赋予复合膜高导电性，又不会影响其比表面积和孔隙结构的导电化途径，揭示了纳米纤维在复合膜中作为导电桥梁的构筑作用。.以大肠杆菌（E. coli）为产电菌，构筑了双室H-型MFC间歇流反应器，系统研究了聚苯胺纳米纤维阳极膜材料（PANI/NFs）、聚吡咯纳米纤维阳极膜（PPy/NFs/PET）等代表性阳极膜的电荷转移阻力等电化学性能，综合评价了MFC系统的电池输出性能。提出了采用磁场诱导提高阳极膜生物相容性的改性方法，证实了PPy/Fe3O4/NFs/PET和PPy/SrFe12O19-NFs/PET磁性阳极膜提供的静磁场和强磁化均能提高细菌的附着性和电子在阳极膜上的迁移，显著缩短电池系统的启动时间。本项目开发的PPy/SrFe12O19-NFs/PET磁性阳极膜MFC系统的最大输出功率密度达3317 mW/m2，已经达到目前国际上报道的最高阳极膜输出水平。.探索了电子从微生物膜向纳米纤维膜电极传递的机理。通过阳极膜的孔隙结构和表面细菌被膜的观察表明，由PPy纳米线、聚合物纳米纤维和常规纤维相互缠结形成的大尺寸的微米级孔和小尺寸的介孔并存的多级孔隙结构，有利于E. coli产电菌的生长与繁殖，表面包覆PPy纳米颗粒的多尺度纤维具有足够的表面粗糙度，外加磁场的诱导取向，有利于引导细菌在阳极膜上的聚集和固定，从而在细菌膜中形成大量的“纳米导线”，加速了电子从产电菌细胞传递到阳极膜的过程，因而显著提高了MFC系统的能量传输效率。.本项目通过4年的研究，形成了以下研究成果：发表SCI论文18篇, EI论文1篇，中文核心2篇；申请发明专利8项，其中2项获授权；参加国际会议2次，受邀国外大学讲学2次，参加国内会议4次；获“2015年中国纺织青年科技奖”，“第十四届中国青年科技奖”。联合培养博士研究生1名，硕士研究生8名，已毕业4名。