Page 186 - 《精细化工》2022年第12期

·2552· 精细化工 FINE CHEMICALS
5 cm。MFC 阴阳极外部连接 1000 Ω 电阻和数据采
集卡，频率为 1 min/次，采集 MFC 输出电压。接种
液为接种污泥（石家庄市某污水处理厂二沉池）和
模拟废水〔V(接种污泥)∶V(模拟废水)=1∶3〕，其
中模拟废水由质量浓度为 1.47 g/L CH 3 COONa、质
–
量浓度为 250 mg/L NO 3 -N、磷酸缓冲液（PBS，
pH=7）、1.0 mL 微生素溶液（体积分数为 0.1%）和
0.5 mL 微量元素溶液（体积分数为 0.05%）组成
每 48 h 更换模拟废水，为确保可重复电压输出，MFC
连续运行 3 个周期。
1.4 表征与性能测试
SEM 测试：将制备的材料粘在导电胶上进行喷
金后放入扫描电子显微镜样品室中，在操作电压为 3.0
kV 下观察样品的表面形貌，同时使用 EDS 测量样
品元素的分布情况。FTIR 测试：分辨率为 4 cm ，
–1
扫描次数为 4 次，扫描范围为 4000~400 cm 。XRD
测试：以 Cu 为辐射源，电流 150 mA，电压 18 kV，
扫描范围为 0°~100°，扫描速度为 2 (°)/min。XPS
测试：Al K α 靶为 X 射线源，管电压为 15 kV，功率
为 300 W，并以 C 1s（284.6 eV）为基准对光电子
能谱仪进行校正。BET 测试：准确称量 1.0 g 样品置
于试管内，在 300 ℃氮气吹扫下测量吸附-脱附曲线。
以 0.1 mol/L PBS（pH=7）为电解液，对电极为
铂丝电极，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），工
作电极为制备的材料或者负载材料的阴极，测量制
备材料的循环伏安曲线（CV）表征其氧还原性能，
测试电压范围为–1.5~1.0 V，扫描速度为 0.02 V/s。
测量 MFC 阴极的 Tafel 和 EIS 曲线表征制备材料修
饰阴极的电化学性能。Tafel 曲线测试电压范围为
–3~2 V，扫描速度为 0.01 V/s；EIS 曲线测试频率范
5
–2
围为 1.0×10 ~1.0×10 kHz，交流振幅为 5 mV，EIS
曲线所得实验数据使用 Zview 软件进行拟合。
–
采用数据采集卡记录 MFC 还原 NO 3 -N 过程中
的输出电压，功率密度曲线和电极电势曲线均采用
线性扫描伏安法（LSV）测量 [15] ，另外化学需氧量
–
–
（COD）、NO 3 -N 和 NO 2 -N 的质量浓度均按照 GB
–
11914—1989 测定，其中，COD 或 NO 3 -N 的去除率
按式（1）进行计算：
  
 /%  1 2  100
 1
式中： 为去除率，%； 为进水 COD（或 NO 3 -N）
1
–
的质量浓度，mg/L；  为出水 COD（或 NO 3 -N）
2
的质量浓度，mg/L。
库仑效率按式（2）进行计算：
M  t d I t
CE / %  0  100
4F CODV 
第 39 卷
式中：CE 为库仑效率，%；M 为 O 2 的摩尔质量，
32 g/mol；t 为数据采集时间，s；I 为 MFC 输出电
流，A；V 为 MFC 有效体积，28 mL；F 为法拉第常
数，96485 C/mol；∆COD 为数据采集时间 t 前后 MFC
中 COD 的质量浓度的变化量，mg/L。
测量 MFC 阴极微生物中硝酸盐还原酶（NAR）
和亚硝酸盐还原酶（NIR）活性 [16] ，同时，提取微
[14] 。
生物中的 EPS，通过考马斯亮蓝法和蒽酮比色法测
定蛋白质（PN）和多糖（PS）的含量，并采用 EEM
对 EPS 进行扫描，对结果进行平行因子（PARAFAC）
建模，确定 EPS 中溶解性有机物组分及其最大荧光
强度（FI），采用高通量测序方法对 MFC 阴极表面
微生物群落结构进行测序。建库和测序工作委托上
–1
海生物科技有限公司完成，在 V3~V4 区域进行 PCR
扩增， 341F(5'-CCTACGGGNGGCWGCAG-3') 和
805R(5'-GACTACHVGGGTATCTAATCC-3')为测序
引物。
2 结果与讨论
2.1 Cu 2 O/rGO 复合材料的表征
采用 SEM 对 Cu 2 O/rGO 复合材料进行了表征，
结果如图 1a、b 所示。由图 1a 可见，成层的片状结
构上负载着颗粒状的物质，此形貌与 XIN 等 [17] 的报
道一致，这是颗粒状 Cu 2 O 负载于片状 rGO 表面的
结果。由图 1b 可以看出，Cu 2 O 颗粒大小均匀，且
高度分散在具有层状结构的 rGO 间隙中，此结构可
为 MFC 阴极提供较大的比表面积和暴露更多的活
性位点 [18] 。
采用 FTIR 对 GO 及 Cu 2 O/rGO 复合材料进行了
表征，结果如图 1c 所示。由图 1c 可知，GO 在 1050、
–1
1614、1731 和 3176 cm 附近的吸收峰分别归属于 C—
O—C、C==C、C==O 键的伸缩振动和吸附水 OH 的
伸缩振动。在 Cu 2 O/rGO 谱图中，在 955、1282、1470、
2250 和 3273 cm 附近分别出现 CH==CH 中 C—H
–1
键的伸缩振动、C—OH 键的伸缩振动、苯环骨架伸
缩振动、C≡≡C 键的伸缩振动和自由水分子伸缩振动
（1） 等特征峰。值得注意的是，Cu 2 O/rGO 复合材料未出
现与 GO 相关的—COOH（1731 cm ）含氧官能团，
–1
–
这可能是因为 GO 被 DEG 还原为 rGO，改变了
Cu 2 O/rGO 复合材料表面的官能团 [10,19] 。同时，在
–1
Cu 2 O/rGO 复合材料的 FTIR 谱图中，650 cm 处出
现 Cu—O 键的伸缩振动吸收峰，这可能是 Cu 2 O 负
载于 rGO 表面，表明合成了 Cu 2 O/rGO 复合材料 [20] ，
（2）
此结果与 SEM 结果一致。