Page 185 - 《精细化工》2022年第12期

第 12 期 郭金燕，等: Cu 2 O/rGO 修饰阴极对 MFC 产电脱氮性能及菌群结构的影响 ·2551·

increased. The abundance of functional microorganisms Betaproteobacteria and Alphaproteobacteria
were also increased by 35.66% and 36.96%, respectively.
Key words: Cu 2O/rGO composites; microbial fuel cell; electrochemical properties; power generation;
denitrification; microbial community; water treatment technology

微生物燃料电池（MFC）是一种利用微生物将 （CH 3 COONa）、NaNO 3 、浓硝酸、无水乙醇，AR，
废水中有机物化学能转化为电能的装置，因具有回 天津市永大化学试剂有限公司；聚四氟乙烯（PTFE）
收能源和净化废水的双重功效而备受关注 [1-2] 。在 乳液（体积分数为 60%/40%，溶剂为水），AR，安
MFC 中，微生物降解有机物的同时可以去除废水中 徽瑞邦新能源科技有限公司；炭黑、萘酚，AR，上
– 2– – –
的离子（如 NO 3 、SO 4 、ClO 4 和金属离子等）。NO 3 海何森电气有限公司；丙酮、Pt/C（Pt 质量分数为
–
的还原电位为+0.74 V（NO 3 /N 2 ），具有被 MFC 去除 20%），AR，天津市博迪化工有限公司；疏水碳布
的优势 [3-4] 。然而，MFC 阴极材料的理化特性制约 （5 cm×5 cm，W1S1009）、亲水碳布（5 cm×5 cm，
[5]
着 MFC 能源回收和废水净化性能的提高 。 W0S1009），碳能科技股份有限公司。
贵金属材料如 Pt 常被用来改善 MFC 阴极材料 S-4800 型扫描电子显微镜（SEM），并配有 X
[6]
的理化特性 ，但成本高和储存量少限制了其应用。 射线光谱仪（EDS），日本 Hitachi 公司；Nicolet iS5
[7]
同时，ZHANG 等 报道阴极表面的非功能性微生物 型傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），美国赛默飞世
占据非生物阴极材料的活性位点，使 MFC 的产电性 尔科技公司；SmartLab 型 X 射线衍射仪（XRD），
能降低。因此，在阴极引入具有抗菌活性的物质对 日本 Rigaku 公司；Axis Ultra DLD 型多功能 X 射线
[8]
提高 MFC 性能至关重要。INDUJA 等 研究表明，
光子能谱仪（XPS），英国 Kratos 公司；NOVA 2000e
Cu 2 O 具有抗菌活性，将其固定在石墨相氮化碳
型全自动比表面积和孔径分布分析仪（BET），美
（g-C 3 N 4 ）表面，不仅可以抑制微生物的生长，还
国 Quantachrome 公司；CHI660E 型电化学工作站，
可以增强微生物降解过程中的电荷转移效率。还原
上海辰华仪器有限公司；DAM-3039 型数据采集卡，
氧化石墨烯（rGO）具有与 g-C 3 N 4 相似的二维片状 北京阿尔泰科技发展有限公司；Aqualog 型同步吸
[9]
结构及电导率高的优点。另外，GEIOUSHY 等 报
收三维荧光光谱仪（EEM），法国 Horiba 公司。
道 rGO 还具有可以改善 Cu 2 O 因易聚集而降低其抗
1.2 制备方法
菌活性的问题及增加催化还原活性位点的优点，在
1.2.1 Cu 2 O/rGO 复合材料的制备
rGO 上负载 Cu 2 O，制得的 Cu 2 O/rGO 复合材料因成 采用改良的 Hummers 方法制备片状氧化石墨
本低和稳定性好而在电化学传感器 [10] 和催化还原 [11]
烯（GO） [12] 。将 450 mg Cu(AC) 2 和 50 mg GO 混合
领域受到广泛关注。Cu 2O/rGO 复合材料是否可用于修 分散在 100 mL DEG 中，超声 4 h 后放在 180 ℃油
–
饰 MFC 阴极并对含 NO 3 -N 废水和有机物进行处理和
浴锅里继续搅拌 4 h，离心，得到的沉淀物用无水乙
产电的相关研究及 Cu 2 O/rGO 复合材料修饰阴极后
醇反复清洗后，放入 50 ℃烘箱干燥 10 h，密封保
对其表面微生物菌落结构的影响的相关研究均较少。
存备用 [13] 。
因此，本研究通过还原法制备 Cu 2O/rGO 复合材
1.2.2 阴极的制备
料，并对其结构和氧还原特性进行表征；将 Cu 2O/rGO
先用 1 mL PTFE 乳液（体积分数为 40%）与 50 mg
复合材料负载于阴极碳布上，采用 Tafel 和交流阻抗
炭黑混合涂抹在疏水碳布（5 cm×5 cm）表面，置于
（EIS）曲线评价其电化学性能；最后将 Cu 2 O/rGO
350 ℃马弗炉焙烧 15 min；再用 1 mL PTFE 乳液（体
阴极应用于单室 MFC 反应器中，探究其对 MFC 产
积分数为 60%）涂抹，置于 350 ℃的马弗炉 10 min，
电 和脱氮 性能 的影响 ；此 外，为 了深 入了 解
该过程重复 3 次，厚约 0.15 mm；接着，将 60 mg
Cu 2 O/rGO 复合材料对 MFC 阴极微生物群落结构的
Cu 2 O/rGO 或 60 mg Pt/C 分别与 40 μL 萘酚和 20 μL
影响，测量 MFC 阴极微生物中反硝化相关酶的活
丙酮混合；然后均匀涂于疏水碳布另一面，最终获
性、胞外聚合物（EPS）的组分和微生物群落结构，
得 Cu 2 O/rGO 阴极或 Pt/C 阴极。
并在门和纲水平上比较 Cu 2 O/rGO 复合材料对 MFC
1.2.3 阳极的制备
阴极微生物丰度和多样性的影响。
浓硝酸浸泡亲水碳布 24 h 后洗至中性，无水乙
1 实验部分 醇浸泡 2 h，105 ℃干燥 2 h。
1.3 MFC 组装和运行
1.1 试剂与仪器 采用有效体积为 28 mL 的单室空气阴极 MFC
乙酸铜〔Cu(AC) 2 〕、二甘醇（DEG）、乙酸钠 反应器，其由有机玻璃制成，外部尺寸为 5 cm×5 cm×