On the current production of Shewanella oneidensis MR-1 with electrospun carbon nanofiber electrodes

Abstract

Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und Charakterisierung von elektrogesponnenen Kohlenstoff-Nanofaser-Materialien für die anodische Stromerzeugung mit Shewanella oneidensis MR-1 (MR-1). Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis für die Beziehung zwischen den morphologischen Eigenschaften der Anodenmaterialien, den Betriebsbedingungen in bioelektrochemischen Reaktoren und der Stromproduktion mit MR-1 zu entwickeln. Der Schlüssel zur Aufklärung der Beziehung zwischen Anodenmorphologie und Stromproduktion sind Anodenmaterialien mit definierten und einstellbaren Eigenschaften. Es wurde daher ein Materialherstellungsprozess basierend auf dem Elektrospinnen entwickelt, der es erlaubt, die Materialeigenschaften selektiv einzustellen. Zusätzliche CO2- und Dampfaktivierung erhöht die spezifische Oberfläche durch Mikro- und Mesoporen und ändert die Makrostruktur nur geringfügig. Die Ergebnisse zeigen, dass die Stromproduktion von MR-1 direkt mit der Biofilmbildung auf den Anoden verknüpft ist. Höhere Stromdichten und stärkere Biofilmbildung wurden mit dünnen Faseranoden beobachtet. Es ist daher anzunehmen, dass Attraktivität des anodischen Habitats für MR-1 durch die Makrostruktur des Anodenmaterials und nicht durch die Mikro- und Mesostruktur bestimmt wird. Es konnte gezeigt werden, dass die Stromproduktion durch den Protonentransport aus dem Biofilm in das umgebende Kulturmedium begrenzt ist. Mit den im Rahmen dieser Arbeit entwickelten elektrogesponnenen Elektrodenmaterialien konnten die Stromdichten mit MR-1 im Vergleich zur bestehenden Literatur deutlich gesteigert werden. Die höheren Stromdichten konnten auf die verbesserte Biofilmbildung durch makroporöse Strukturen im Sub-Mikrometerbereich zurückgeführt werden. Erstmals konnte gezeigt werden, dass die Stromproduktion von MR-1 durch Protonentransport begrenzt ist.