二氧化锰改性电极在生物电化学体系中的应用研究文献综述

文献综述

1 研究背景

1.1 研究目的

环境与能源问题日益成为全球关注的焦点问题。从科学的角度来看，环境和能源问题之间也存在着千丝万缕的联系。很多情况下，环境污染是由于资源的错置所造成的。虽然减少污染物一直是废水处理的重要任务,但废水处理的可持续性需求驱使着废水处理向低能耗、零能耗的方向发展。如今,我们的社会更加清楚地意识到:废水能够作为一种有价值的能源和资源,而不仅仅是作为一种简单的“废物”被处置。而微生物电化学系统(Bioelectrochemical System，BES)正是基于此需求而开发研究出来的。生物电化学系统是一种基于电化学活性微生物进行胞外电子传递的系统，包括微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)和微生物电解池(microbial electrolysis cell，MEC)。然而，BES的低功率密度阻碍了它的实际应用。通过改良电极材料可以使发电量得到显著提高。所以现在有大量的研究针对不同电极材料以及电极材料改性后，对生物电化学性能的作用。本课题从提高BES产电能力以及产电可利用性的角度出发，通过电极改性的方式提高BES的产电能力。

2 国内外研究

2.1 生物电化学简介

BES作为一个生物电化学的体系，主要是微生物、电极以及底物之间相互作用的一个体系。阳极微生物利用有机物或者是一些无机物如硫作为电子供体，通过微生物的作用将其氧化或降解，在此过程中将电子传递给阳极。阴极会利用氧化态的物质作为电子受体，这些电子受体中常见的是氧气，此外还有铁氢化钾、高锰酸钾、硝酸盐、重金属等。对于MFC技术，阳极氧化以及阴极还原可以自发地进行，从而在外部产生电流。而对于MEC技术，当阳极氧化或阴极还原不能自发进行的时候，需要外加一定的电压，来克服此壁垒，从而达到推动氧化还原反应进行的目的。因此MFC技术不同于传统的废水处理方法，该技术可以在处理废水的同时获得电能。而MEC技术是在BES的基础上外加电流，以电化学活性微生物作为催化剂，将电池中的化学能转化为氢能。但另一方面，MFC技术在获得能源的同时，也可达到加速降解废水的目的。

2.2 阳极材料改性现状

从BES的发展可以看出,增大BES的功率密度,一直是研究者的主要目标。在众多影响BES功率的因素中,阳极由于是微生物附着、生长、降解有机物和电子传递的直接场所,其导电性、有效活性表面积、稳定性和生物相容性等特性直接决定了电子传递过程的效率和微生物产电的多寡。因此,寻找到合适的材料来制作和改善阳极,具有重要的意义。