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摘 要

碳毡作为微生物燃料电池的阳极材料有诸多优点，如：成本低廉、耐化学试剂，孔隙率高，更适合微生物的培育及应用，但导电率较低限制了其进一步的发展。碳纳米管的导电性佳，但极易发生团聚；并且暴露的碳纳米管材料会对细胞产生损伤。利用碳纳米管修饰碳毡材料表面，可以有效改善碳毡的导电性，但传统的滴涂法制备工艺会导致碳纳米管的快速脱落，影响使用寿命。针对这个问题，本实验采用聚多巴胺材料，制成碳纳米管-聚多巴胺修饰电极，将其应用于微生物燃料电池，以提高微生物燃料电池的电化学性能。

通过碳纳米管-聚多巴胺复合材料的制备即改善了修饰材料的分散性，也避免了碳纳米管对细胞的损伤，提高了微生物的生物相容性。在微生物燃料电池实际应用上，通过制备条件优化，利用电聚合方式制成碳纳米管-聚多巴胺修饰电极，增强了复合电极材料的使用性能。

关键词：羧基化碳纳米管 聚多巴胺 阳极改性 微生物燃料电池

The preparation of electrodes modified with carbon nanotubes and poly-dopamine and its application in the microbial fuel cell

Abstract

Carbon felt as the anode material of microbial fuel cell has many advantages, such as low cost, chemical resistance, high porosity, more suitable for microbial cultivation and application, but low conductivity limits its further development. Carbon nanotubes have good electrical conductivity, but agglomeration is very easy to occur. And exposed carbon nanotube materials can damage cells. Using carbon nanotubes to modify the surface of carbon felt materials can effectively improve the conductivity of carbon felt, but the traditional drip coating process will lead to the rapid shedding of carbon nanotubes, affecting the service life. To solve this problem, the carbon nanotube-dopamine-modified electrode was made of polydopamine material in this experiment, which was applied to microbial fuel cell to improve the electrochemical performance of microbial fuel cell.

The preparation of carbon nanotube-polydopamine composite not only improves the dispersion of modified materials, but also avoids the damage of carbon nanotubes to cells, and improves the biocompatibility of microorganisms. In practical application of microbial fuel cell, carbon nanotube-polydopamine modified electrode was prepared by electropolymerization with optimized preparation conditions, and the service performance of composite electrode material was enhanced.

Key Words：Carboxylated carbon nanotubes; poly-dopamine; anodic modified; microbial fuel cell

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 微生物燃料电池概述 1

1.2 电池阳极材料概述 2

1.3 碳纳米管概述 3

1.4 聚多巴胺概述 5

1.5 选题构思与创新点 5

第二章 聚多巴胺-碳纳米管复合材料的微生物相容性研究 7

2.1 引言 7

2.2 材料与仪器 7

2.3 实验方法 8

2.3.1 制备复合材料 8

2.3.2 红外光谱表征 8

2.3.3 细胞培养 9

2.4 结果与讨论 9

2.4.1 复合材料的制备 9

2.4.2 CNTs-COOH@PDA的红外光谱表征 10

2.4.3 CNTs-COOH@PDA对细胞生长的影响 12

2.5 章节小结 13

第三章 聚多巴胺-碳纳米管修饰的碳毡电极在电化学中的应用 14

3.1 引言 14

3.2 材料与仪器 14

3.3 实验方法 15

3.3.1 制作碳毡电极 15

3.3.2 活化产电菌株 15

3.3.3 配制阴阳极液 15

3.3.4 搭建MFC装置 16

3.3.5 制作修饰电极 16

3.3.6 红外光谱表征 16

3.3.7 SEM表征 16

3.4 结果与讨论 16

3.4.1 CNTs-COOH@PDA 修饰的碳毡电极在微生物燃料电池中的应用效果 16

3.4.2 CNTs-COOH@PDA 修饰的碳毡电极在微生物燃料电池中的浓度优化 18

3.4.3 CNTs-COOH@PDA 修饰的碳毡电极的红外光谱表征 19

3.4.4 CNTs-COOH@PDA 修饰的碳毡电极的SEM表征 20

3.5 章节小结 21

第四章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 23

绪论

微生物燃料电池概述

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell ,MFC）是一种将经典的非生物电化学反应、物理学与微生物代谢过程相结合的装置^[1]。在上世纪20年代初，Potter^[2]就发现了大肠杆菌在分解有机底物时会产生微弱的电流，但由于电流仅有0.2 A，在当时并没有引起科学家们的关注。在很长一段时间里，人们对MFC产电机理的认识都很模糊，因此MFC研究进展缓慢。后来，韩国科学家Kim^[3]等人发现了腐败希瓦氏菌IR-1可以在不加外源性电子介体的情况下产电，证明了存在微生物可以独立完成电子传递过程，这个发现大大延长了MFC的运行寿命。此后，Lovley^[3]等人利用嗜甜细菌将葡萄糖氧化成了二氧化碳，显示了MFC在有机废弃物处理上的发展潜力。

从反应器外型上划分，可以将MFC分为单室和双室两类^[2]。单室MFC一般只含有一个区室，阴阳极共享；而双室MFC分阴极区和阳极区两个区室，中间常以质子交换膜（PEM）为界。PEM的作用是只允许质子从阳极室到达阴极室，同时保证阳极室的厌氧条件。

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