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钼钨碳化物基纳米材料改性阳极及其在MFC中的性能研究

摘要

微生物燃料电池(MFC)是一种很有前途的技术，可以利用细菌作为催化剂将各种有

机废物中含有的化学能转化为电能。MFC的阳极作为电活性生物膜生长和胞外电子传

递(EET)的场所，是影响和限制MFC产电性能的关键因素。由于单一的过渡金属改性

阳极构成的MFC的产电性能并不令人满意，而超细双金属碳化物能够赋予改性电极更

大的比表面积、更高的电导率以及更优异的电催化活性，从而促使MFC的产电储能性

能得以提高。基于此，本文以碳布作为基体，采用不同改性方法来制备阳极材料，从电

催化性能和生物相容性角度出发，探究钼钨双金属碳化物对电极性能的影响（所有电池

运行均在25℃环境下）。主要的研究结果如下：

（一）采用牺牲模板、原位聚合和高温碳化相结合的方法，成功制备了由碳化钼、

碳化钨共掺杂的碳纳米管复合材料（MoWCNTs）。相较于原始碳布（CC）来说，MoW

2

CNTs@CC电极表现出较高的输出功率密度（2.80W/m）和较低的电荷转移电阻（84.15

Ω）。阳极生物膜分析表明，MoWCNTs@CC材料能够为产电微生物提供更多的附着位

点，使其表面覆盖了一层致密、连续的生物膜，其中电活性菌Sulfurovum在MoW

CNTs@CC表面的相对丰度为67.6%。MoWCNTs的高交联纳米片结构、超细双金属碳

化物赋予了改性电极更高的电导率以及更优异的电催化活性，从而显著提升了MFC的

产电性能。

（二）基于双金属协同效应和MOF的孔径调控制备了双金属MoW碳化物和ZIF

（沸石咪唑酯骨架结构）衍生的Co纳米颗粒共掺杂碳纳米管。结果表明，材料表面呈

现出附着菱形十二面体形态ZIF-67的二维纳米片构建空心纳米棒结构，将其负载于碳

布上作为微生物燃料电池阳极（Co-MoWCNTs@CC）。碳布表面的Co-MoWCNTs颗粒

良好的生物相容性为微生物提供了更多的附着位点。弯曲杆菌门（Campilobacterota）作

为优势产电菌门，能在电极上大量富集（80.0%），从而提高电池的产电性能。电化学分

析表明，引入Co-MoWCNTs@CC材料之后，电极界面和微生物之间的胞外电子转移效

2

率得到了明显提升，MFC的输出功率密度达到了3.50W/m，最大电流密度达到了9.71

2

A/m。Co-MoWCNTs@CC阳极材料构成的MFC界面电荷转移电阻（Rct）仅为1.84Ω，

远低于CC(530Ω)。

（三）通过简单的化学原位聚合和煅烧的方法构筑了不同金属原子比的MoW共掺

杂的碳布阳极。微观结构分析表明，碳纤维上均匀吸附了大量花瓣状纳米片组成的改性

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

三维花状微球。MFC性能测试表明，MoW@CC-1:1电极构建的微生物燃料电池最大功

2

率密度4.88W/m，是原始CC的7.87倍。此外，MoW@CC-1:1阳极表层生物膜中形成

了以Campilobacterota为主体的产电微生物群落，其含量达到了76.4%。改性阳极由于

其花状褶皱形态而具有更大的比表面积，给微生物提供了更大的负载面积，提升了胞外

电子传递效率，进而提升了MFC的功率密度。

（四）基于前一章钼钨纳米材料可以在多种碳质基质上原位生长的特性，本章利用

第5章产电性能最佳的一组钼钨比例微球材料对颗粒活性炭材料进行改性。选用改性材

料（MoW@GAC-1:1）搭建沉积物微生物燃料电池（SMFC）实际应用研究表明，

MoW@GAC-1:1-SMFC的最大输出功率（4.479mW)是GAC-SMFC(0.698mW)的6.4

倍。且在同样数量的SMFC下，4个并联×6串联的SMFC模块的产电性能最好为62.676

mV。在50天内，通过超电源管理系统给