地区：上海市 宝山区
关键词：华东理工大学
成果类型：其它
成果领域：生物与新医药
成果编号：A2021061000001330
成果描述：
| 该项目属于能源与环境技术领域，环境科学技术基础学科。微生物燃料电池技术以有机废物为发电原料，获得能源(产电)，同时可以解决有机废物造成的环境污染问题，是一项能同时缓解能源短缺与环境污染问题的先进技术。微生物燃料电池技术被认为是21世纪洁净、高效的废水处理技术和发电技术。微生物燃料电池技术工业化应用的最大障碍是设备制造成本高、发电效率低与产电机理仍不清晰。为解决以上问题，该项目重点进行了微生物燃料电池电极修饰及电子传递调控的理论与方法的研究。首先，通过创新的方法，制备得到铁锰联合修饰生物阴极材料和原位化学修饰碳基材料等廉价、高效微生物燃料电池电极材料，探索低成本的微生物燃料电池制造技术。其次，国际上率先提出了永磁性的纳米磁性阳极材料的制备方法，实现磁场加载与产电微生物电子传递的统一，为提高微生物燃料电池发电功率探索了一条新路径。再次，提出了微生物燃料电池阳极生物电容的理论计算模型，以及电极微环境理论，为研究微生物燃料电池电子传递机制打开新视野和提供新理论。重要科学发现：微生物燃料电池电极材料创新制备方法及电子传递调控理论发明了铁锰联合修饰生物阴极材料的制备新工艺，国际上最早报道铁锰联合修饰生物阴极制备方法，以及成功启动和稳定运行铁锰修饰的生物阴极微生物燃料电池。为满足碳基电极材料表面官能团的调控，提出全新原位化学修饰的新策略，以表面引入不同官能团的碳基材料作为微生物燃料电池阴极材料和阳极材料，提高阴极氧还原速率和阳极产电微生物电子迁移速率。利用量子化学计算方法，分析和讨论了原位化学修饰产生的官能团催化阴极氧还原与阳极产电微生物电子传递的调控理论。磁场对微生物燃料电池产电性能的影响及调控机制创造性提出将永磁性的纳米材料负载到微生物燃料电池碳基阳极上的制备工艺。将磁场强化和阳极修饰改性相结合，该磁性阳极材料能为阳极产电微生物提供持续的微磁场，从而彻底改变原有的磁场加载方式，提高磁场利用率，为磁效应调控微生物燃料电池产电性能的新技术的实际应用奠定基础。发现阳极加载磁场能够有效减小阳极的电荷转移内阻，减小阳极活化损失，改善阳极产电功率密度。微生物燃料电池电子传导机制的新理论发现了微生物燃料电池阳极生物电容随着其功率密度增加而增大；提出了微生物燃料电池不仅仅是一种燃料电池，也不仅仅是一种生物反应器，还应该是一种生物电容器。国际上首次提出计算微生物燃料电池阳极电容的理论公式，对探索电子传递机制和电极材料的开发提供了全新的视野。另外，提出了电极微环境理论，为解释生物-电化学系统中氮、磷和硫等元素的代谢行为提供理论支撑。该项目的工作重点集中在微生物燃料电池电极修饰及电子传递调控的理论与方法的研究。申请专利共7项，已经授权发明专利2项；8篇代表性论文他引总计302次，SCIE他引总计185次。其中，单篇他引最高达148次，单篇SCIE他引最高为119次。 |
