同步产电和储能的MFC中三维开放大孔结构MnO2（聚合物）/碳/海绵电容性生物阳极材料的可控合成及其性能研究

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基本信息

  • 批准号：
    21476053
  • 项目类别：
    面上项目
  • 资助金额：
    88.0万
  • 负责人：
    温青
  • 依托单位：
    哈尔滨工程大学
  • 学科分类：
    B0816.资源、环境与生态化工
  • 结题年份：
    2018
  • 批准年份：
    2014
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2015-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Microbial fuel cell (MFC) is a novel technology which can achieve organic waste processing and clean electric energy production at the same time. To match the production and demand of the electricity in MFC of low output power, it is important to exploit an integrated MFC system with the cogradient storage and production of electricity. This project intends to construction of 3D interconnected macroporous multilayered MnO2(PANI) /carbon / sponge composite as capacitive bioanode material for MFC with the cogradient storage and production of electricity, which is prepared by self-assembling and situ-deposition, and research the impact of preparation condition on the structural properties of materials, discuss the inherent laws of the composition, microstructure and the electrochemical properties of the materials, reveal the mechanism of energy production and energy storage, realize the design controlled to the structure and function of the 3D nano-materials. We will investigate the influencing factors on producing electricity, energy storage and waste water treatment performance of the MFC with an internal capacitor and their function mechanism, and provide basic research data to construct an integrated MFC system with high power density, high capacitance and cycling stability, lay the foundation for the practical application of MFC technology.
微生物燃料电池(MFC)是一种可同步实现有机废弃物处理和清洁电能生产的新型技术。但MFC的输出功率低，为了使产电和用电需求相匹配，必须有效的储存MFC产生的电能，因此可同步产电和储能的一体化MFC系统的开发具有重要意义。本项目拟采用自组装和原位沉积的方法开展同步产电和储能的MFC系统中三维开放大孔结构多层次二氧化锰（聚合物）/碳/海绵电容性生物阳极材料的空间构筑，并对其结构和电化学性质开展系统地研究。通过制备条件对结构特性的影响，深入探讨材料的组成和微观结构与其电化学性能之间的内在规律，揭示材料的储能和产电机理，复合材料中各组分协同作用的本质，实现3D纳米材料结构与功能设计可控。考察带有内电容的MFC系统的产电、储能和废水处理效能的影响因素及其作用机制，为构建具有高功率、高容量和良好循环稳定性的同步产电和储能的MFC提供新的思路和基础研究数据，为MFC工艺实际应用奠定基础。

结项摘要

微生物燃料电池(MFC)是利用微生物为阳极催化剂，将储存在有机物中的化学能转化为电能的装置。但较低的输出功率限制了其实际应用。为了使产电和用电需求相匹配，必须有效的储存MFC产生的电能。本项目制备了多种不同组成的三维开放大孔结构MnO2（聚合物）/碳/海绵电容性生物阳极，并研究了以其为阳极的MFC同步产电和储能的性能。.选择赝电容材料二氧化锰和聚苯胺等为主要活性物质，制备了3D 大孔MnO2/纳米碳/海绵材料、聚合物/纳米碳/海绵材料、MnO2和聚合物复合修饰海绵材料等多种电容性电极材料，通过电化学性能分析，解析了构效关系；研究了以制备电极为阳极构建的带有内电容MFC的产电和储能，阐释了电容性阳极提高产电和储能的机理。通过高通量测序技术分析电极材料对电极表面微生物群落分布和产电的影响和机理。结果表明，二氧化锰和聚苯胺两种赝电容材料复合修饰的电极的性能最好。采用化学沉积法制备的3D MnO2/PANI/NCNT/S阳极具有连续开放的大孔结构和高的比表面积，为微生物的附着提供了更多空间，并有利于快速传质。该阳极具有高的生物电催化活性，以其为阳极的MFC的最大功率密度为11.8 W/m3，MFC的总放电量达到11042C/m2。此外采用天然多糖高分子壳聚糖与聚苯胺进行接枝改性，制备了CS-NCNT-PANI/NCNT/S阳极，以其为阳极的MFC最大功率密度是PANI/NCNT/S阳极MFC的最大功率密度的1.87倍。高通量测序技术分析表明，天然多糖高分子的引入提高了电极的生物相容性，使得更多的电活性细菌在电极上富集，形成的菌落结构生物多样性增强，各种产电菌的协同作用提高了MFC的产电能力。.项目还考察了带内电容的MFC强化污染物的去除效应和作用机制，研究了阴极室铬的还原和阳极室染料脱色和有机物降解过程，分析了影响带内电容阳极MFC中污染物去除效果和产电的影响因素。.以上研究结果表明，本项目成功制备了多种三维开放大孔结构二氧化锰（聚合物）/碳/海绵电容性电极材料，构建出了高性能的集产电和储能一体的MFC系统，该研究具有重要的理论和实际应用前景。

项目成果

期刊论文数量（16）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（4）
Preparation and characterization of TiN-doped Ti/SnO2-Sb electrode by dip coating for Orange II decolorization
浸涂法制备 TiN 掺杂 Ti/SnO2-Sb 电极用于 Orange II 脱色
  • DOI：
    10.1016/j.apsusc.2014.09.182
  • 发表时间：
    2014-11-30
  • 期刊：
    APPLIED SURFACE SCIENCE
  • 影响因子：
    6.7
  • 作者：
    Duan, Ying;Wen, Qing;Zhou, Yiding
  • 通讯作者：
    Zhou, Yiding
Enhanced electrocatalytic activity of nano-TiN composited Ti/Sb-SnO2 electrode fabricated by pulse electrodeposition for methylene blue decolorization
脉冲电沉积纳米TiN复合Ti/Sb-SnO2电极增强亚甲基蓝脱色电催化活性
  • DOI：
    10.1039/c4ra09145k
  • 发表时间：
    2014-01-01
  • 期刊：
    RSC ADVANCES
  • 影响因子：
    3.9
  • 作者：
    Duan, Tigang;Chen, Ye;Duan, Ying
  • 通讯作者：
    Duan, Ying
Preparation and microbial fuel cell application of sponge-structured hierarchical polyaniline-texture bioanode with an integration of electricity generation and energy storage
集发电、储能于一体的海绵结构多级聚苯胺结构生物阳极的制备及微生物燃料电池应用
  • DOI：
    10.1007/s10800-018-1252-9
  • 发表时间：
    2018-09
  • 期刊：
    Journal of Applied Electrochemistry
  • 影响因子：
    2.9
  • 作者：
    Haitao Xu;Jiansong Wu;Lijuan Qi;Ye Chen;Qing Wen;Tigang Duan;Yuyang Wang
  • 通讯作者：
    Yuyang Wang
A novel polyaniline interlayer manganese dioxide composite anode for high-performance microbial fuel cell
一种用于高性能微生物燃料电池的新型聚苯胺层间二氧化锰复合阳极
  • DOI：
    10.1016/j.jtice.2017.03.006
  • 发表时间：
    2017-06
  • 期刊：
    JOURNAL OF THE TAIWAN INSTITUTE OF CHEMICAL ENGINEERS
  • 影响因子：
    5.7
  • 作者：
    Wang Yuyang;Wen Qing;Chen Ye;Qi Lijuan
  • 通讯作者：
    Qi Lijuan
Fabrication of dense spherical and rhombic Ti/Sb-SnO2 electrodes with enhanced electrochemical activity by colloidal electrodeposition
胶体电沉积制备具有增强电化学活性的致密球形和菱形 Ti/Sb-SnO2 电极
  • DOI：
    10.1016/j.jelechem.2016.02.044
  • 发表时间：
    2016-05-01
  • 期刊：
    JOURNAL OF ELECTROANALYTICAL CHEMISTRY
  • 影响因子：
    4.5
  • 作者：
    Duan, Ying;Chen, Ye;Duan, Tigang
  • 通讯作者：
    Duan, Tigang

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其他文献

端部条件和长宽比对矩形断面节段模型涡激振动的影响
  • DOI：
    10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.04.002
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    振动工程学报
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    温青;华旭刚;池俊豪;王修勇;孙洪鑫
  • 通讯作者：
    孙洪鑫
利用耦合系统自由振动响应识别结构被控模态和TMD参数
  • DOI：
    10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.04.002
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    振动工程学报
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    温青;华旭刚;王修勇;陈政清;孙洪鑫;曹张
  • 通讯作者：
    曹张
一种高阶模态涡振试验新气弹模型的模型参数优化设计
  • DOI：
    10.13465/j.cnki.jvs.2020.15.014
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    振动与冲击
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  • 作者：
    温青;华旭刚;陈政清;王修勇
  • 通讯作者：
    王修勇
基于耦合系统环境振动试验的结构和TMD参数识别
  • DOI：
    10.13465/j.cnki.jvs.2019.10.029
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    振动与冲击
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    温青;华旭刚;王修勇;陈政清;孙洪鑫
  • 通讯作者：
    孙洪鑫
基于新奇检测技术的斜拉索状态评估
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2011
  • 期刊：
    公路交通科技
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    王修勇;温青;杨琪;余进修;贺雄伟
  • 通讯作者：
    贺雄伟

其他文献

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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