5个研究背景和意义示例,教你写计算机微生物燃料电池论文

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基质辅助激光解吸电离质谱及常压电离质谱技术在生物样品分析中的应用

这是一篇关于MALDI,纳米探针,质谱成像,氮掺杂石墨烯量子点,常压质谱,微生物燃料电池的论文, 主要内容为核酸、蛋白质以及小分子代谢物等生物分子是生命活动的重要参与者,生物分子信息的准确读取对于研究生命活动机制、发展疾病诊治方案、指导生物能源开发均具有重要意义。然而,生物样品成分复杂,生物分子在种类、丰度、活性等方面差异巨大,亟待发展快速准确的生物分子定性、定量分析方法。质谱技术凭借其高灵敏度、高准确度和高选择性等优点,已逐渐成为生命科学研究领域中重要的研究工具。其中,基质辅助激光解吸电离质谱(MALDI-MS)和常压电离质谱(AMS)技术,分别在生物分子高效解吸电离以及生物样品原位分析中具有独特的技术优势,因此在生物样品检测分析以及生物过程原位监测方面具有广阔的应用前景。本论文基于MALDI-MS技术分别开发了以质量条形码纳米探针为识别介质和以氮掺杂石墨烯量子点为基质的质谱分析新方法,分别实现了蛋白酶活性的质谱测定与生物组织中代谢物分子的质谱成像。另一方面,利用AMS在生物样本原位采样分析方面的技术优势,我们发展了基于AMS的微生物产电过程中代谢物变化监测新方法,实现了微生物燃料电池中微生物产电过程的原位质谱监测。主要内容如下:1.基于质量条形码纳米探针的质谱分析技术用于Caspase-3活性评估MALDI-MS技术具有高灵敏、高通量和免标记等优势,为酶活性评估提供了理想的技术手段。本研究中,我们以细胞凋亡机制中关键的终末剪切酶Caspase-3为研究对象,开发了以Fe3O4纳米球为核、修饰质量标签的Au NPs为卫星的核-卫星结构质量条形码纳米探针,借助MALDI-MS实现了对Caspase-3蛋白酶活性的定量分析。利用目标酶剪切底物肽段连接链导致的Au NPs解离,将酶切事件转化为纳米探针上质量标签离子信号的变化,通过MALDI-MS技术获取质量标签离子信号,进而与酶活性建立定量关系。此方法操作简便,灵敏度高,无需荧光标记即可实现对蛋白酶活性的准确测定。此外本工作设计的质量条形码纳米探针可直接内化到细胞中进行工作,为细胞内蛋白酶活性的质谱检测提供了可能,也为揭示细胞凋亡机制和开发创新药物开辟了新途径。2.以氮掺杂石墨烯量子点为基质的MALDI-MSI技术用于鼠脑组织切片成像基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI-MSI)技术通过各像素点质谱信号采集,利用目标离子信号实现待测物在二维/三维空间上的图像重构。MALDI-MSI可以对样品中多种目标物的组成、相对丰度及空间分布情况进行快速分析,因而广泛应用于医学、生物学、药代动力学等研究领域。然而,在MALDI-MSI技术中,传统基质存在背景信号高和检测重现性差等问题,导致其在低分子量目标物质谱检测与成像方面十分受限。本章中我们以高温微波切割法获得氮掺杂石墨烯量子点(NGQDs),开发了NGQDs作为基质的MALDI-MSI新方法,并成功用于鼠脑组织切片中低分子量代谢物的成像分析。与常用基质DHB辅助的MALDI-MSI方法相比,以NGQDs作为基质的MALDI-MSI方法能更灵敏地检测鼠脑组织切片中小分子代谢物,特别是在负离子模式下表现优异。我们进一步以NGQDs为基质对创伤性脑损伤(TBI)模型鼠脑组织切片进行MALDI-MSI分析,发现酪氨酸等低分子量代谢物在脑损伤区域丰度明显低于正常位置。这一新型的MALDI MSI方法为研究生理、病理过程中小分子变化规律提供了一种有效的技术途径。3.基于常压电离质谱技术的微生物产电过程代谢变化监测目前对产电微生物产电过程的研究更多集中在电信号的测量,而对于微生物产电行为所伴随的表面状态和分泌物变化的研究却涉及较少。针对该问题,我们利用常压电离质谱技术(AMS)在实时原位分子信息读取方面的优势,搭建了两套常压离子源装置。其中,气压进样萃取电喷雾电离(EESI)质谱旨在研究微生物燃料电池(MFC)中微生物在完全厌氧环境下产电时分泌于电解液中的代谢物分子;纳喷雾解吸电喷雾电离(nano-DESI)质谱主要监测电极表面微生物代谢物的变化。研究中,我们系统考察并探讨了电解质成分、工作电极材料以及萃取溶剂对产电微生物代谢物质谱检测效果的影响。最终实现了不同环境下产电微生物在产电过程中生物分子的原位、实时、在线监测。本研究为微生物燃料电池中生物产电过程和电极界面物质变化监测提供了可行方案。

苯酚选择性电化学氧化及其产物修饰微生物燃料电池阳极性能研究

这是一篇关于苯酚,对苯二酚,选择性电化学氧化,微生物燃料电池,氮掺杂还原氧化石墨烯的论文, 主要内容为苯酚是一种典型的环境内分泌干扰物,广泛存在于多种工业废水中。电化学氧化技术(electrochemical oxidative process,简称EOP)在降解苯酚的过程中生成具有氧化还原活性和电子介导作用的对苯二酚(hydroquinone,简称HQ)/对苯二醌(benzoquinone,简称BQ),但其副反应在电极上形成绝缘层使电极发生钝化,阻碍苯酚氧化反应的持续进行。另一方面,微生物燃料电池(microbial fuel cell,简称MFC)能将废水中的化学能直接转化成电能,但其在废水处理中的应用受到产电低和材料造价高等缺点的限制。向MFC阳极引入具有氧化还原活性的电子中介体,能够有效提高阳极性能和MFC产电。本文制备了氮掺杂还原氧化石墨烯(nitrogen-doped reduced graphene oxide,简称N-rGO)修饰不锈钢网(stainless steel mesh,简称SSM)电极材料用于苯酚选择性氧化,并将其产物HQ/BQ用于修饰MFC阳极以强化产电,探索电化学技术实现废水中苯酚资源化利用的可能性。氮掺杂碳对氧化还原反应具有良好的催化作用。本文第一部分制备了氮掺杂还原氧化石墨烯电极(N-r GO/SSM)并将其用于催化低电压下苯酚的选择性氧化。循环伏安曲线(cyclic voltammetry,简称CV)显示,苯酚的氧化电位为0.84 V,第一周期的苯酚氧化峰电流密度是未掺杂氮对照组(rGO/SSM)的2.3倍。第二周期后出现两对氧化还原峰(中点电位分别为0.28和0.51 V),反映了苯酚选择性氧化产物HQ/BQ的伏安特性。电化学阻抗测试(Electrochemical Impedance Spectroscopy,简称EIS)表明,相较于rGO/SSM,N-rGO/SSM电极的欧姆电阻和电荷转移电阻未出现明显增大。电化学测试和表面组成分析表明,反应结束后,苯酚选择性氧化的目标产物HQ/BQ持续附着在阳极表面。向碳基电极引入具有赝电容特性的电子中介体是提高MFC产电的一种有效手段。本文第二部分通过电化学方法将水中的HQ转化为固态聚合物(polyhydroquinone,简称PHQ)修饰到石墨毡(graphite felt,简称GF)基体电极表面制备赝电容阳极,利用苯酚选择性氧化产物HQ及其聚合物的氧化还原活性,向MFC阳极引入电子中介体。表面形貌和化学组成表征结果显示,GF经酸处理后得到的基体电极(Activated graphite felt,简称AGF)表面含氧基团含量增加,有利于PHQ的附着。电化学测试表明,所得的PHQ-AGF阳极构建的MFC最大功率密度为633.6 mW cm-2,远高于PHQ-GF电极、AGF电极和GF电极构建的MFC(分别为368.2、228.8和119.7 mW m-2)。PHQ提高了电极表面C-OH和C=O的含量,促进产电菌的附着生长和胞外电子传递,从而提高MFC产电性能。本研究证明N-rGO可用于苯酚的选择性电化学催化氧化,从而减缓电极钝化并产生电子中介体HQ/BQ。将水中的HQ通过电化学聚合的方式修饰到阳极(PHQ-AGF)能够有效地提高MFC阳极性能,进而强化了MFC产电,研究结果可为EOP实现废水苯酚资源化利用提供基础数据。

碳纳米管和有序介孔碳在微生物燃料电池电极材料中的应用研究

这是一篇关于微生物燃料电池,大肠杆菌,碳纳米管,有序介孔碳,四磺酸基酞菁铁的论文, 主要内容为新世纪，随着能源匮乏和环境污染问题的加剧，寻找新的能源开发和利用技术日益迫切。其中微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)作为一种新兴的高效的生物质能利用方式，正在得到越来越多的关注。MFCs可以将有机物，尤其是有机废水中的化学能直接转化为电能，而且产物为洁净的水，具有反应条件温和、能量高效利用和水体污染同步治理等特点。但目前关于MFCs的研究仍处于起步阶段，其发展仍然面临许多挑战。其中，产电性能过低是限制该技术进入实际工程应用的主要障碍。电极材料的性质和结构与产电性能密切相关。近年来，碳纳米材料由于其独特的结构及优良的力学、电学和化学等性能，受到越来越多的关注。本论文成功构建起典型的双室型大肠杆菌(Escherichia，E. coli)MFCs，并制备碳纳米管(Carbon nanotubes，CNTs)、有序介孔碳(Ordered mesoporous carbon，OMC)及其复合物的修饰电极，应用于MFCs的阳极或阴极，提高了MFCs的产电性能。本论文的研究结果概括如下： (1)由于已知文献中，MFCs的电极材料、膜、生物催化剂、离子强度以及运行条件不相同，所以即使是同类型的MFCs，其实验结果都不具有很高的参考价值，因此有必要对本实验MFCs有关条件进行研究。以E. coli作为阳极催化剂，以葡萄糖和酵母浸膏作为底物，以磷酸缓冲溶液(Phosphate buffer solution，PBS)作为基液构建MFCs模型。(a)考察E. coli、2-羟基-1,4-蒽醌(2-Hydroxy-1,4-naphthoquinone，HNQ)和葡萄糖催化体系的作用，并以碳纸电极为阳极、K3[Fe(CN)6]为阴极受体构建E. coli-HNQ-MFCs，其开路电压，内阻、最大功率密度和相对应的电流密度分别为：0.699V，300Ω，601mW/m2和1493mA/m2。这表明E. coli-HNQ-碳纸体系具有很好的电子传递活性；(b)考察E. coli的不同培养时间对MFCs启动时间和输出电流的影响，结果表明24小时为最佳培养时间；(c)考察不同驯化电压对MFCs启动时间和输出电流的影响，结果表明驯化电压越大，其启动时间越短，输出电流越大；(d)考察不同面积的电极对MFCs输出电流密度的影响，结果表明使用不同面积的电极，其电流密度基本相同；(e)考察几种常见人工电子传递体的电子传递效率，结果表明HNQ的电子传递效率最高；(f)考察阳极缓冲能力对MFCs启动时间和输出电流的影响，结果表明使用PBS能够明显提高输出电流和电池稳定时间。 (2) OMC比表面积为1121m2/g，比孔容积为1.21cm3/g，BJH孔径均分布在3.4-6.9nm，具有高比表面积、均一孔径、大孔容、以及良好导电性和生物兼容性等特点。以不锈钢网表面负载OMC作为阳极构建E. coli-MFCs，实验结果表明：以OMC负载碳纸作为阳极构建双室型E. coli-MFCs时阳极极化显著降低；MFCs的开路电压，内阻和最大功率密度和相对应的电流密度分别为：0.613V，350Ω，3248mW/m2和9022mA/m2。OMC阳极的使用能够显著改善电池的产电性能。 (3)四磺酸基酞菁铁(Iron tetrasulfophthalocyanine, FeTSPc)能够通过π-π共轭作用结合到多壁碳纳米管(Multi-wall carbon nanotubes，MWCNTs)表面形成FeTSPc/MWCNTs复合物。以循环伏安法(Cyclic voltammetry，CV)和线性伏安法(Linear sweepvoltammetry，LSV)考察FeTSPc/MWCNTs氧还原反应(Oxygen reduction reaction，ORR)催化行为，并以该复合物负载碳纸作为阴极构建双室型E. coli-MFCs。实验结果表明：在中性介质中，对ORR催化电位要比使用商品化的铂碳催化剂正移了44mV；MFCs的开路电压，内阻、最大功率密度和相对应的电流密度分别为：0.510V，300Ω，932mW/m2和2792mA/m2。产电性能优于商品化铂碳催化剂作为阴极的MFCs。

微生物燃料电池阳极生物膜的保护与功率输出的优化研究

这是一篇关于微生物燃料电池,凝胶生物阳极,耐氧性能,电容电极,电压反转,功率骤降的论文, 主要内容为微生物燃料电池(MFC)是一种利用电活性微生物氧化降解有机小分子,将化学能转化为电能的电化学装置。近年来,关于MFC的理论基础研究已取得了巨大的进展,然而其实际应用,特别是污水处理,还受到了极大的限制。一方面,当溶液中氧含量增大时,MFC阳极的厌氧电活性微生物的生物电化学活性会受到严重抑制甚至完全失去。因此,MFC技术难以与传统的好氧污水处理技术相融合。另一方面,MFC的输出不稳定,单个MFC容易产生功率骤降,而且串联MFC电池组容易发生电压反转,严重降低MFC的功率输出。针对上述问题,本论文一方面采用物理交联的聚乙烯醇(PVA)水凝胶对电活性微生物膜进行保护,以提高其耐氧性能;另一方面开发具有高电容的多孔碳泡沫(CF)材料作为MFC的阳极,以消除MFC的功率骤降和电压反转,提高MFC的功率输出。第一部分以炭黑修饰的不锈钢网作为阳极,在其上生长电活性微生物膜形成生物阳极;接着采用液氮冷冻/解冻物理交联的PVA对生物阳极进行包裹固定,制备水凝胶微生物阳极。扫描电子显微镜(SEM)形貌表征显示,液氮冷冻/解冻制备的PVA凝胶内部呈现规则的管状结构。MFC全电池性能测试显示,基于PVA水凝胶生物阳极的MFC可产生的最大电流密度为1.40 mA cm-2,功率密度为1200 mW m-2,与未包裹凝胶的不锈钢网电极的产电性能相近。生物阳极的耐氧性能测试显示,在曝纯氧的条件下,水凝胶生物阳极的电活性没有受到很大影响,以其构建的MFC的功率输出也基本保持不变;而没有水凝胶包裹的生物阳极,其电活性则急剧降低,这说明水凝胶生物阳极具有优异的耐氧性能。水凝胶生物阳极的耐氧性能主要归功于PVA水凝胶降低了氧气扩散速率,阻碍了氧气向电活性生物的扩散。第二部分采用高温炭化三聚氰胺泡沫制备了柔性炭泡沫(CF)。CF具有较大的孔隙率和孔隙结构,有利于电活性微生物的生长。以900℃炭化的厚度为4 mm的碳泡沫(简称CF-900-4)作为阳极,可产生4.2 mA cm-2的电流密度。基于CF-900-4阳极和空气阴极的组成的MFC,其功率密度高达3100 mW cm-2。此外,CF具有优异的机械性能,能够替代传统刚性的炭基材料,为MFC的实际应用提供了可能。第三部分研究了电容型电极对MFC的功率骤降和其在串联时产生的电压反转现象的影响。经过测试发现CF-900不仅是一种性能优异的MFC阳极材料,还是一种出色的电容材料。充放电测试结果显示CF-900的比电容值高达111 F g-1。将CF-900-4与空气阴极组装成MFC后发现单个电池不会发生功率骤降现象;MFC在串联时也不会发生电压反转。因此,电容型的材料可以优化MFC的功率输出。