Nanomalzeme modifiye mikrobiyal yakıt hücrelerinin geliştirilmesi
Development of nanomaterial modified microbial fuel cells
Yazar: SEMA ASLAN
Danışman: PROF. DR. ÜLKÜ ANIK
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry

Özet:
Mikrobiyal yakıt hücre (MFC)'ler mikroorganizmaların biyokimyasal dönüştürücü olarak kullanıldığı alternatif enerji kaynaklarındandır. Bu çalışmada ilk defa Gluconobacter oxydans (G.oxydans) bakterileri ile geliştirilmiş nanoyapı ve osmium redoks polimer (ORP) modifiye karbon temelli biyoanotlar geliştirilmiş ve MFC sisteminde çalıştırılmıştır. Camımsı karbon pasta veya karbon keçe elektrot (CFE) modifikasyonunda kullanılmak üzere grafen, grafen-platin (Grafen-Pt) ve çok duvarlı karbon nanotüp-altın-platin (MWCNT-Au-Pt) nanoyapıları sentezlenmiş ve karakterize edilmiştir. İleri modifikasyon amacıyla G. oxydans bakterileri, farklı ORP polimerleri ile birleştirilerek yüksek akım değerlerine ulaşılmıştır. Elde edilen kompozit elektrotların elektrokimyasal karakterizasyonları döngüsel voltammetri ve doğrusal taramalı voltammetri yöntemleriyle gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen biyoanotlar içerisinde en iyi yanıtlar ORP1/G.oxydans/MWCNT-Au-Pt/CFE temelli biyoanottan akım yoğunluğu 103,18 µA cm2-, güç yoğunluğu 3,21 µW cm2-, yük transfer etkinliği % 22,30, açık devre potansiyeli (OCP) 180 mV olarak elde edilmiştir. Daha sonra atık su kullanılan tek hücreli MFC'lere ait pil ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Biyolojik oksijen ihtiyacı değeri 717,00 mg O2 L-1, kimyasal okijen ihtiyacı değeri 2820,40 mg O2 L-1, arıtım kapasitesi % 99 (70 gün), akım yoğunluğu 5,50 µA cm2-, güç yoğunluğu 0,33 µW cm2-ve OCP değeri 905,00 mV olarak elde edilmiştir.

Abstract:
Microbial fuel cells (MFCs) are alternative energy sources that use microorganisms as biocatalysts to produce electricity. In this study, carbon based electrodes were modified with Gluconobacter oxydans (G.oxydans) bacterial cells, nanomaterials and osmium redox polymers (ORP), then utilized as bioanodes in construction of various MFCs for the first time. For this purpose, firstly graphene, graphene-platinum (Graphene-Pt) and multiwalled carbon nanotube-gold-platinum (MWCNT-Au-Pt) nanostructures were synthesized and characterized then used for modification of the glassy carbon paste electrode or carbon felt electrode (CFE). Additionally, G. oxydans bacteria were modified with different tyes of ORPs to achieve higher current outputs. Electrochemical characterizations of the electrodes were carried out by the cyclic voltammetry and linear sweep voltammetry. The best results were obtained from ORP1/G.oxydans/MWCNT-Au-Pt/CFE based bioanode. The best power outputs obtained using this bioanode in MFC system were 103,18 µA cm2- for current density, 3,21 µW cm2- for power density and 22,30% for charge transfer efficiency. In the consequtive waste water studies using CFE based single celled MFCs, the best results were obtained as 717,00 mg O2 L-1 biological oxygen demand, 2820,40 mg O2 L-1 chemical oxygen demand with the treatment capacity of 99% (70 days), current density of 5,50 µA cm2- and power density of 0,33 µW cm2-.