Vol.29 SuppL 2 冯雅丽等：单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析 163。 在室温下干燥48h.干燥后将薄板置于马弗炉中，1 混合气.混合气通入阳极室前需通过孔径为0.45 100℃恒温锻烧12h,以氮气作为保护气确保厌氧环 m的混合纤维素酯微孔滤膜.阳极室需缓慢搅拌， 境.将圆形薄板电极截成50mm×50mm×2mm的 负载电阻5102. 阴极电极板.利用同样的程序制作了硫酸铁含量为 1.4分析方法及数据采集设备 0和6%的阴极电极（改变高岭土含量）. 电压采集：数据采集卡为瑞博华AD8201H,16 13单室直接微生物燃料电池体系 位，32通道，编程双端方式工作，采集精度0.1mV, 研制的单室微生物燃料电池为一个长方体有机 采集的电压值除以负载电阻，就是电池的电流. 玻璃容器，见图l,尺寸为15cm×12cm×8cm,腔体 电池阳极室内细胞浓度测定：取菌液5mL, 为电池的阳极室8,7为阳极电极.侧面为一台阶式 3500rmin-1下离心20min,去除上清液.加05mL 的窗口6.周围有4个螺孔，以固定阴极板.阴极板 0.1molL1Na0H重悬细胞，一20C储存.测定 和阳极室之间用质子交换膜5(Nafion一l17, 时，把样品解冻，100℃沸水浴20min,冷却后加0.5 Dupont))相隔，质子交换膜与阴极板4之间用真空垫 mL0.1molL1HC,用考马斯亮蓝法9测蛋白浓 保持密封.容器上方开有8个小孔，其中1是气体 度，595nm波长处检测. 进口，2是气体出口，其余6个是电极导线出口3.6 葡萄糖的测定：3,5-二硝基水杨酸法(DNS 是负载电阻. 法)【下9 2结果与讨论 2.1阴极硫酸铁含量对输出电压的影响 为了考察阴极电极中硫酸铁含量对输出电压的 影响，阴极板中硫酸铁的含量分别为0,3%和6%， 阳极为6块高纯石墨电极，外电阻为510Ω的定值 电阻，电池输出电压情况如图2所示. 0.35 0.30 0.25 o-6%Fe3 3%Fe3 0 无Fe 1一气体进口：2一气体出口：3一电极导线出口：4一阴极板：5一质 子交换膜：6一负载电阻：7一阳极电极：8一阳极室 8ae 图1单室直接微生物燃料电池装置图 0 此单室微生物电池是将阴极室去除，只留阴极 0.05 电极暴露在空气中，利用阴极电极传递空气中的氧 02000400060008000100001200014000 时间min 气，同时传递到阴极电极上的电子和质子与氧气发 图2阴极中Fe+含量对电池电压的影响 生反应生成水，这样可以减去在阴极室通入氧气的 工作，从而可以不需要阴极室而构成了单室电池， 从图2可以看出，阴极板中不含铁离子（硫酸 阴极板中的Fe+相当于是一种电子载体，加速电子 铁)的无介体微生物燃料电池电压输出最小（基线电 的传递速率. 压为001V),说明阴极电极中的铁离子加速了阴 质子交换膜使用前需依次在30%H202、去离 极的反应.阴极板含6%硫酸铁的电池产生的电压 子水、05mo/LHS04及去离子水中各煮沸1H匀， 最高，比3%的阴极板高了大约20mV.Fe+在阴极 然后保存在去离子水中以供使用.阳极电极为未抛 电极中发生如下反应： 光的高纯石墨电极，每块石墨电极尺寸为50mm× Fe +e--Fe2t 50mm×5mm,面积为25cm2.阳极电极在使用前用 Fe2++02+H→H20+Fe升 1molL1HCl浸泡去除杂质离子，使用完后再用1 Fe升接受电子变为Fe2+,而Fe+又被空气中 mdL1NaOH浸泡以除去其表面吸附的细菌.阳 的氧气氧化为Fe3+,铁离子在二价和三价间不断循 极室接种前通N一C02(体积比为8020)混合气除 环转化，加速电子的传递速率，从而降低了氧气在阴 尽装入的培养基中的氧气，接种后密封或者缓慢通 极和H反应的超电势，增大了电池的输出电压.在室温下干燥 48 h .干燥后将薄板置于马弗炉中, 1 100 ℃恒温锻烧12h, 以氮气作为保护气确保厌氧环 境.将圆形薄板电极截成 50 mm ×50 mm ×2 mm 的 阴极电极板.利用同样的程序制作了硫酸铁含量为 0 和 6 %的阴极电极( 改变高岭土含量) . 1.3 单室直接微生物燃料电池体系 研制的单室微生物燃料电池为一个长方体有机 玻璃容器, 见图 1, 尺寸为 15 cm ×12 cm ×8 cm, 腔体 为电池的阳极室 8, 7 为阳极电极 .侧面为一台阶式 的窗口 6, 周围有 4 个螺孔, 以固定阴极板 .阴极板 和阳 极 室之 间 用 质子 交 换膜 5 ( Nafio n -117, Dupont) 相隔, 质子交换膜与阴极板 4 之间用真空垫 保持密封.容器上方开有 8 个小孔, 其中 1 是气体 进口, 2 是气体出口, 其余 6 个是电极导线出口 3 .6 是负载电阻. 1—气体进口;2—气体出口;3—电极导线出口;4—阴极板;5—质 子交换膜;6—负载电阻;7—阳极电极;8—阳极室 图 1 单室直接微生物燃料电池装置图 此单室微生物电池是将阴极室去除, 只留阴极 电极暴露在空气中, 利用阴极电极传递空气中的氧 气, 同时传递到阴极电极上的电子和质子与氧气发 生反应生成水, 这样可以减去在阴极室通入氧气的 工作, 从而可以不需要阴极室而构成了单室电池 . 阴极板中的 Fe 3 +相当于是一种电子载体, 加速电子 的传递速率. 质子交换膜使用前需依次在 30 %H2O2 、去离 子水 、0.5 mol/ L H2SO4 及去离子水中各煮沸 1 h [ 5] , 然后保存在去离子水中以供使用 .阳极电极为未抛 光的高纯石墨电极, 每块石墨电极尺寸为 50 mm × 50 mm ×5 mm, 面积为 25cm 2 .阳极电极在使用前用 1mol·L -1 HCl 浸泡去除杂质离子, 使用完后再用 1 mol·L -1 NaOH 浸泡以除去其表面吸附的细菌 .阳 极室接种前通 N2-CO2( 体积比为 80∶20) 混合气除 尽装入的培养基中的氧气, 接种后密封或者缓慢通 混合气.混合气通入阳极室前需通过孔径为 0.45 μm 的混合纤维素酯微孔滤膜 .阳极室需缓慢搅拌, 负载电阻 510 Ψ. 1.4 分析方法及数据采集设备 电压采集 :数据采集卡为瑞博华 AD8201H, 16 位, 32 通道, 编程双端方式工作, 采集精度 0.1 mV, 采集的电压值除以负载电阻, 就是电池的电流. 电池阳极室内细胞浓度测定 :取菌液 5 mL, 3 500 r·min -1下离心 20 min, 去除上清液, 加 0.5 mL 0.1mol·L -1 NaOH 重悬细胞, -20 ℃储存.测定 时, 把样品解冻, 100 ℃沸水浴 20 min, 冷却后加 0.5 mL 0.1 mol·L -1 HCl, 用考马斯亮蓝法 [ 6] 测蛋白浓 度, 595 nm 波长处检测 . 葡萄糖的测定:3, 5 -二硝基水杨酸法( DNS 法) [ 7-8] . 2 结果与讨论 2.1 阴极硫酸铁含量对输出电压的影响 为了考察阴极电极中硫酸铁含量对输出电压的 影响, 阴极板中硫酸铁的含量分别为 0, 3 %和 6 %, 阳极为 6 块高纯石墨电极, 外电阻为 510 Ψ的定值 电阻, 电池输出电压情况如图 2 所示 . 图 2 阴极中 Fe 3 +含量对电池电压的影响 从图 2 可以看出, 阴极板中不含铁离子( 硫酸 铁) 的无介体微生物燃料电池电压输出最小( 基线电 压为 0.01 V) , 说明阴极电极中的铁离子加速了阴 极的反应 .阴极板含 6 %硫酸铁的电池产生的电压 最高, 比 3 %的阴极板高了大约 20mV .Fe 3 +在阴极 电极中发生如下反应: Fe 3+ +e - ※Fe 2+, Fe 2+ +O2 +H +※H2O +Fe 3+ . Fe 3+接受电子变为 Fe 2 +, 而 Fe 2+又被空气中 的氧气氧化为 Fe 3 + , 铁离子在二价和三价间不断循 环转化, 加速电子的传递速率, 从而降低了氧气在阴 极和H +反应的超电势, 增大了电池的输出电压 . Vol.29 Suppl.2 冯雅丽等:单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析 · 163 ·