Schwammartige Metallelektroden für mikrobielle Brennstoffzellen mittels stromloser Metallabscheidung auf Polymerschwamm Oberflächen

Titelangaben

Langner, Markus:
Schwammartige Metallelektroden für mikrobielle Brennstoffzellen mittels stromloser Metallabscheidung auf Polymerschwamm Oberflächen.
Bayreuth , 2019 . - vi, 77 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004424

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Abstract

The beginning of research related to the microbial fuel cell is based on the work of Potter in the year 1912[1]. At the beginning of the new century this research came back into focus because of its potential to generate renewable and ecologically friendly energy out of waste waters. In the first time, the focus of research was related to the species of the used bacteria, there growth conditions, metabolism at plate electrodes with a low yield of current.[2,3] Later, the electrode surface was more of interest because of the knowledge that a higher surface area on electrodes can yield a higher current caused by more bacteria. To proof this different porous carbon materials were tested. This led to the development of carbonized nanofibers as an electrode material which was made from nonwovens produced by blown assisted electrospinning of polyacrylonitrile (PAN). This material yields after colonization with bacteria for an microbial fuel cell the best current yields so far.[4] The disadvantages of such a carbon electrode are given by the relative bad mechanical and electrical properties of carbon related to other materials like metals. After carbonization these materials often crack or break even after low mechanical stress.[5] Compared to Copper and Silver in particular the carbon material has a lower conductivity in regions of magnitudes. This is a big disadvantage related to the use of this material as anode material in microbial fuel cells because of the low conductivity. Related to this the high resistance produces, (shown by Ohms Law (4)) a high loss of power in the electrode that rises with resistivity. In energy producing systems the usable power degreases with growing resistivity. This decreases the yield of energy produced by this system. In combination with the shown bad mechanical properties of carbon materials the high resistivity lowers the ability to produce such a fuel cell, causes high costs and makes the production of such a fuel cell in some cases even impossible.

To overcome the disadvantages of carbon materials as use for anode materials in microbial fuel cells, the relative good mechanical properties of three-dimensional polymer backbones was combined with the relative good electrical conductivities of metals in this publication. At the beginning of this thesis different metals like Cu, Ag, Au and Ni were evaporated in Bayreuth on graphite plates in vacuum to find suitable metals for this approach. These plates were tested in Braunschweig in the working group of Uwe Schröder by André Baudler as electrodes in biological fuel cells. The current generated by these electrodes with a grown bacteria film out of wastewater was measured and compared to an uncoated graphite and stainless steel plate. Surprisingly the results showed that all used metals yielded nearly the same current like the uncoated graphite sample that was used as a reference. Related to this results Copper and Silver were chosen for metallization in Bayreuth because of their excellent electrical conductivity. Commercial melamine resin sponges were used as a substrate for metallization because of the pore structure of this material and its relative high inner surface.

By this means metalized sponges were generated in Bayreuth which were successfully tested in Braunschweig as anode materials in biological fuel cells. The results show currents near to the best results achieved with electrospun PAN based carbon electrodes. But in comparison to the carbon based electrodes the metalized sponges show excellent mechanical and also electrical properties of magnitudes higher than carbon electrodes with similar density.

The metal-polymer composite produced in this work also has some other interesting properties like a super hydrophobic surface, high current tolerances, lightweight, heating abilities at high currents, a high porosity at low density, and a good thermal insulating behavior. These multiple properties make the material very interesting for different other applications beside as an electrode for a biological fuel cell. It can be used as a conductive insulation martial or as a breathable heating material or sound insulation element. The successfully applied methods of this thesis can also be used to form metal layers on other porous materials which can lead to new fields of research for many other applications.

In the last part of this work dispersions of nanofibers where created by the use of electrospinning and a suitable method to bring these in suspension. It was possible to generate membranes born by the wet laid method. These membranes show the same properties like membranes generated by direct electrospinning. Because of the nature of these suspensions these nanofibers can be combined with other kinds of conductive fibers or bacteria dispersed into a liquid. In the future this method could be a starting point to generate new conductive modified electrodes or membranes.

Abstract in weiterer Sprache

Der Grundstein der Forschungen zu den mikrobiellen Brennstoffzellen wurde in den Arbeiten von Potter im Jahre 1912 gelegt.[1] Etwa seit der Jahrtausendwende erleben diese Arbeiten einen erneuten Forschungsschub, da diese das Potenzial bieten umweltfreundliche Energie, in Form von Elektrizität aus Abwässern zu generieren. Zu Beginn der Forschung wurden die verwendeten Bakterienspezies, ihre Wachstumsbedingungen, ihr Stoffwechsel, etc. an Plattenelektroden untersucht, wobei aber nur geringe Stromausbeuten erreicht werden konnten.[2,3] Mit der Überlegung, dass eine Vergrößerung der Anodenoberfläche zu einer höheren Stromausbeute führt, wurden weitere Versuche unternommen verschiedene poröse Kohlenstoffmaterialen als Elektrodenmaterial zu verwenden. Dies führte zu der Entwicklung von elektrogesponnenen Polyacrylnitril (PAN) Fasermatten, die nach dem Karbonisieren zu Kohlefasern, mitunter die besten Stromausbeuten bei der Verwendung als Anodenmaterial für mikrobielle Brennstoffzellen lieferten.[4] Die Nachteile solcher Kohleelektroden finden sich in den mechanischen, aber auch in den elektrischen Eigenschaften der so gewonnenen Elektrodenmaterialien. Nach dem Karbonisieren zeigen solche Elektrodenmaterialien eine ausgeprägte mechanische Instabilität die dazu führt, dass geringe Belastungen ausreichen können um diese zu zerstören.[5] Kohlenstoff ist ebenfalls dafür bekannt, verglichen mit metallischen Leitern wie Kupfer und Silber, eine relativ schlechte elektrische Leitfähigkeit zu besitzen. Dies ist bei der Verwendung als Elektrodenmaterial sehr unvorteilhaft, da nach dem Ohm’schen Gesetz (4) der Spannungsabfall mit dem elektrischen Widerstand am Elektrodenmaterial steigt und somit Leistung verloren geht. Dies führt auch dazu, dass sich der Wirkungsgrad eines solchen Systems verringert je höher der innere Wiederstand eines solchen Systems ist. Diese nachteiligen elektrischen Eigenschaften machen zusammen mit den schlechten mechanischen Eigenschaften dieser Kohlematerialien den Aufbau einer solchen Brennstoffzelle sehr schwierig, kostenintensiv und evtl. sogar unmöglich.

Um die erwähnten Nachteile von Kohlenstoff als Anodenmaterial in mikrobiellen Brennstoffzellen zu umgehen, wurden in dieser Arbeit die, verglichen mit Kohlenstoffmaterialen, guten mechanischen Eigenschaften von dreidimensionalen Polymergerüsten mit den guten elektrischen Eigenschaften von Metallen kombiniert. Um zu überprüfen welche Metalle sich für ein solches Vorhaben eignen, wurden zu Beginn dieser Arbeit in Bayreuth verschiedene Metalle wie Cu, Ag, Au und Nickel auf Kohlenstoffplättchen aufgedampft. Diese Proben wurden in Braunschweig in der Arbeitsgruppe von Uwe Schröder auf ihre Tauglichkeit als Anodenmaterial in biologischen Brennstoffzellen getestet. Dazu wurden nach dem Aufwachsen eines Biofilms aus Klärwasser die Stromabgabe dieser Plättchen mit einer gleichgroßen Kohle und Edelstahlelektrode verglichen. Die Ergebnisse zeigten überraschend, dass sich bis auf Titan und Cobalt ein Biofilm auf den getesteten Metallen ausbilden konnte, und dieser Strom produzierte. Die ermittelte Stromausbeute war dabei in etwa so hoch wie bei der Kohleelektrode, die als Referenz diente. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden für die Metallisierung in Bayreuth die Metalle Kupfer und Silber als leitfähige Schicht für die Metallisierung gewählt, da diese Metalle eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit besitzen. Als Substrat diente u.a. ein kommerzieller Melaminschwamm, der durch seine Porenstruktur eine relativ hohe innere Oberfläche besitzt.

Die so in Bayreuth erhaltenen metallisierten Schwämme wurden in Braunschweig erfolgreich als Anodenmaterial getestet. Dabei wurden Stromdichten gemessen, die im Bereich der besten bisher getesteten Kohlematerialien liegen. Die so hergestellten Elektroden besitzen aber im Gegensatz zu den beschriebenen Kohleelektroden hervorragende mechanische Eigenschaften und ebenfalls eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit, die weit über der von porösen Kohlenstoffmaterialien mit ähnlicher Dichte liegt.

Das in dieser Arbeit in Bayreuth hergestellte Metall-Polymerkomposit besitzt zudem noch andere interessante Eigenschaften, die über die bloße Verwendung als Elektrodenmaterial herausgehen. Sie zeigen ein superhydrophobes Verhalten, eine hohe Stromfestigkeit, eine leichte Aufwärmbarkeit bei hohen Strömen, eine hohe Porosität bei niedriger Dichte und ein ausgeprägtes thermisches Isolationsverhalten. Diese vielfältigen Eigenschaften machen das Material, neben der Verwendung als Elektrodenmaterial, interessant für viele weitere Anwendungen, wie z. B. als leitfähiges Isolationsmaterial oder als atmungsaktives Heizelement. Auch können die in dieser Arbeit erfolgreich angewendeten Methoden dazu benutzt werden auch andere poröse Materialen zu metallisieren was zu neuen Forschungsfeldern führen kann.
Im letzten Teil der Arbeit konnte unter Zuhilfenahme des Elektrospinnens Nanofasern generiert werden, die durch eine geeignete Methode in Kurzschnittfaser-Dispersionen umgesetzt wurden. Es konnte gezeigt werden, dass sich diese Dispersionen durch ein geeignetes Nasslegeverfahren wieder zu Membranen, umwandeln ließen. Diese besitzen die gleichen Eigenschaften wie Membranen welche direkt durch Elektrospinnen hergestellt wurden. Da die Fasern nach dem Zerkleinern in einem Lösungsmittelgemisch als Dispersion vorliegen, können diese mit allen Arten von leitfähigen Materialien oder auch Bakterien kombiniert und somit diese Bestandteile in einer Membran vereinigt werden. Dies kann ein Ausgangspunkt für künftige Arbeiten sein um neuartige leitfähige oder andersartig beladene Kompositelektroden oder Membranen zu liefern.