基于电容性阳极的微生物燃料电池串联组合及性能研究

摘要

[目的]制备了2种应用于微生物燃料电池（microbial fuel cell, MFC）的电容性电极，研究电容性电极对单个MFC和串联MFC电池组的产电性能的影响。分析阳极表面电活性生物膜的生物量、胞外聚合物（extracellular polymeric substance, EPS）成分与组成等结果，从微生物学的角度解析电容性阳极增强MFC串联电池组产电性能、运行稳定性和抗逆性的原因。[方法]利用二氧化锰（MnO₂）和咖啡渣活性炭（coffee grounds-derived active carbon, cAc）修饰碳毡（CF）,制备了MnO₂@CF和MnO₂/cAC@CF两种电容性电极。将CF、MnO₂@CF和MnO₂/cAC@CF分别作为阳极运行MFC并构建不同数量单元的MFC串联电池组。[结果]以电容性阳极运行的MFC能够有效缓解串联电池组的电压反转现象。3个MFC串联时，CF组的最高输出电压为1.76 V,最高功率密度为1 795.33 mW·m^-2;而MnO₂@CF组和MnO₂/cAC@CF组的最高输出电压分别为2.01和2.12 V,最大功率密度分别达到4 157.31和6 276.59 mW·m^-2。电容性阳极表面电活性生物膜分泌更多的胞外聚合物，其中的蛋白质成分可以加速电活性微生物与电极界面的胞外电子传递效率，多糖成分可以进一步提高电活性生物膜的环境适应性。[结论]二氧化锰修饰的电容性阳极不仅可以提升单个MFC的产电性能，其构建的串联电池组也拥有比CF阳极构建的串联电池组更高的输出电压、功率密度及运行稳定性。

关键词

微生物燃料电池 / 串联 / 电化学性能 / 电压反转 / 胞外聚合物