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Construction of a new type of three-dimensional honeycomb-structure anode in microbial electrochemical systems for energy harvesting and pollutant removal

阳极 材料科学 化学工程 电化学 微生物燃料电池 聚吡咯 碳纳米管 电极 石墨烯 纳米技术 化学 复合材料 聚合物 聚合 工程类 物理化学
作者
Jiannan Li,Dahong Chen,Guohong Liu,Da Li,Yan Tian,Yujie Feng
出处
期刊:Water Research [Elsevier BV]
卷期号:218: 118429-118429 被引量:52
标识
DOI:10.1016/j.watres.2022.118429
摘要

Electrode materials occupy most of the construction cost of the microbial electrochemical system (MES), and the low mechanical strength and poor electrochemical performance of the commonly used traditional carbon-based materials restrict the promotion and application of this technology. In this study, polymer-based three-dimensional (3D) honeycomb-structure (HS) materials with good mechanical properties were used as supporting materials. Graphene (GR), carbon nanotube (CNT), and polypyrrole (PPy) was separately chosen as a surface conductivity coating layer for preparing MES anodes. The introduction of GR, CNT, and PPy on HS increased surface roughness, hydrophilicity, O and N content, electrochemically active surface area, and decreased charge transfer internal resistance, which promoted the adhesion of microorganisms on their surface and enhanced the extracellular electron transfer process at the electrode/microbe interface. The CNT-HS anode system got the better maximal power density (1700.7 ± 149.0 mW/m2) of the three modified anode systems and 3.60 times that of MES using CC (471.8 ± 27.2 mW/m2) as the anode. The accelerated reactions of the redox species in the outer cell membrane, the promoted electron shuttle secretion, and the enhanced abundance of the tricarboxylic acid cycle-related functional genes in biofilm led to better performance of the CNT-HS anode system. The CNT-HS anode system also exhibited long-term operational stability (>6 months) and a good chemical oxygen demand degradation effect. Furthermore, CNT-HS material exhibited its cost advantage, and its projected cost is estimated to be about $1.8/m2, much lower than the currently used MES anodes ($8.2-548.2/m2). Considering the good mechanical properties, simple preparation process, low manufacturing cost, long-term stability, excellent bio-electrochemical performance, and good pollutant removal ability, HS-based anode has promising potential for high-performance MES in applications.
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