论文总字数：22964字

摘 要

随着科技的发展，地球的的能源消耗日益严重，能源短缺已成为十分严重的问题。伴随着能源短缺，环境污染也日益严重。微生物燃料电池能在代谢有机物质的同时产生能量，实现了清洁环境的同时产生能源，是废物资源化的杰出代表，如何使微生物燃料电池高效是现在科研热点。本论文考察了生物纳米金（BioAu）作为修饰材料对电极电化学性能的影响及其对MFC的产电性能的促进作用。

结果表明，利用BioAu复合多壁碳纳米管（MWCNT）修饰电极（BioAu/MWCNT），当其复合比例为1:2，电极负载量为1.84 mg/cm²时，BioAu/MWCNT修饰阳极能提高MFC的产电性能，输出电压（641.44 mV）与功率密度（186.04 mW/m²），与原来的电极组（521.01 mV, 120.27 mW/m²）提高了23.11%和54.68%；是由于BioAu/MWCNT的修饰增加了比表面积，使更多的微生物产电菌附着在电极表面，同时还增强了电极的电化学活性，加快了阳极产电菌氧化分解有机物的反应速率。

关键词：微生物燃料电池 生物纳米金 碳纳米管

Study on enhancing the electrical performance of microbial fuel cell by biological nanometer gold modified electrode

Abstract

With the development of science and technology, the energy consumption of the earth has become increasingly serious, and energy shortage has become a very serious problem. With the shortage of energy, environmental pollution is also increasing. Microbial fuel cells can generate energy while metabolizing organic substances, and produce energy while achieving a clean environment. This is an outstanding representative of waste resources. How to make microbial fuel cells more efficient is now a research hotspot.In this paper, the effect of biological nano-gold (BioAu) as modified material on electrochemical properties of electrodes and its effects on the performance of MFC were investigated.

The results show that the electrochemical catalytic activity and the charge transfer ability of BioAu composite multi walled Carbon nanotubes (MWCNT) modified electrodes (BioAu/MWCNT) are most obviously improved when the composite ratio is 1:2 .The electrode load is 1.84 mg/cm2. and bioau/ MWCNT modified anode can improve the performance of MFC, and the output voltage (641.44 mv) an，(186.04 mw/m2) are improved by 23.11% and 54.68% respectively compared with the unmodified electrode group (521.01 MV, 120.27 mw/m2). The reason may be that the bioau/mwcnt modification improves the specific surface area of the electrode, so that more microorganisms are attached to the electrode surface, and the electrochemical activity of the electrodes is enhanced, and the reaction rate of the anodic producing microorganisms to oxidize and decompose the organic compounds is accelerated.

Key words: Microbial fuel cells; Biological nanometer gold; Multi-wall carbon nanotube

目 录

摘要 …………………………………………………………………………………I

ABSTRACT……………………………………………………………………… II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 微生物燃料电池 1

1.3 纳米材料 2

1.3.1 纳米材料简介 2

1.3.2 纳米金修饰微生物燃料电池的进展 2

第二章 材料与方法 4

2.1 实验材料 4

2.1.1 实验仪器 4

2.1.2 实验试剂 4

2.2 实验方法 5

2.2.1 生物纳米金的合成 5

2.2.2 生物纳米金复合电极的制备 6

2.2.3 生物纳米金的表征方法 6

2.2.4 电化学分析方法 7

第三章 结果与讨论 9

3.1 生物纳米金的合成及表征 9

3.1.1 纳米金悬液颜色随时间的变化 9

3.1.2 UV-Vis分析 9

3.1.3 Shewanella onesidensis MR-1悬浮液中Au浓度随时间的变化 10

3.1.4 纳米金的XRD分析 11

3.2 生物纳米金复合电极表征及电化学性能分析 11

3.2.1 生物纳米金复合电极表征 11

3.2.2 不同类型修饰电极的电化学分析 12

3.2.3 不同复合比例对BioAu/MWCNT复合电极的电化学影响 14

3.2.4 不同负载量对修饰电极的电化学影响 15

3.3 生物纳米金复合电极对MFC产电性能的影响 16

3.3.1 修饰电极对MFC产电的影响 16

3.3.2 CV、EIS分析 18

3.3.3 阳极电极SEM分析 19

3.4 小结 20

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致谢 26

第一章 绪论

1.1 研究背景

21世纪以来，由于能源的需求人类不断破坏环境^[1]，伐木砍树，开采土地。在经济发展迅速的背后是地球环境的一片狼藉。很久之前我国就提出可持续发展的概念，旨在在发展的同时确保环境的稳定，但做到这一点并不容易，首先我们改变能源的消耗种类，因此迫切要求人们改变能源消费结构，寻求新型可再生资源。近年来人们纷纷把目光投入到生物质能上，因为生物质能不需要时间的积累，使用后不会污染环境，但是其也有缺点，如低效，使用复杂，所以如果能够找到保证绿色、清洁的情况下还能高效新能源是解决问题的最好途径。微生物燃料电池是一大类利用太阳能来发电的技术，具有可再生和清洁的双重优势,如何使其有较高的效率是目前科研人员正在研究的^[2]。

选择合适的电极材料是优化产电的关键^[3,4]，(Pt)^[5-8] 很贵没法广泛应用，所以许多研究者开始寻找一些廉价且具有高电化学催化活性的材料来代替Pt电极。金(Au)对如乙醇、甲醇^[9]、甲酸^[10]催化活性很高。Shewanella oneidensis^[11,12]，Desulfovibrio，Clostridium butyricum^[13]还原废水中的Au(III)合成生物纳米金（BioAu），并且BioAu有更好的生物相容性^[14]。

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