[학위논문]미생물 연료 전지 및 미생물 전기분해 전지의 전기화학적 분석법, 환원전극, 분리막 및 자석 활용 기술 개발 Development of electrochemical analysis methods, cathodes, membranes, and a magnetic application for microbial fuel cell or microbial electrolysis cell원문보기
미생물연료전지(MFC)와 미생물전기분해전지(MEC)를 포함하는 미생물전기화학시스템(Microbic electrochemical systems, MES)은 전기, 수소가스, 메탄가스 등 재생에너지를 동시에 생산하면서 폐수를 처리하는 실용성 때문에 매혹적인 연구 주제가 되고 있다. 그러나 MES에서는 촉매 물질의 ...
미생물연료전지(MFC)와 미생물전기분해전지(MEC)를 포함하는 미생물전기화학시스템(Microbic electrochemical systems, MES)은 전기, 수소가스, 메탄가스 등 재생에너지를 동시에 생산하면서 폐수를 처리하는 실용성 때문에 매혹적인 연구 주제가 되고 있다. 그러나 MES에서는 촉매 물질의 업그레이드, 시스템의 스케일업, 시스템이 최대 용량으로 작동하기 위한 조건의 최적화 등 아직 극복해야 할 많은 한계가 존재한다. 여기에서는 MES의 성능에 영향을 미치는 요인을 개선하기 위한 노력이 소개될 것이다. 정확하고 재현 가능한 MFC 실험을 위해서는 양극에 폐수 미생물 바이오타를 처음 접종하는 동안 시스템이 안정적인 성능을 내는 시기를 결정하는 것이 필수적이다. 흑연브러시 양극과 공기 양극으로 구성된 동일한 단일 챔버 MFC 4개를 테스트하였다. 17주 연속으로 LSV(Linear Sweep Voltammetry) 분극 및 CV(Cyclic Voltammetry) 테스트를 포함한 전기화학적 측정을 실시하였다. 모든 MFC의 성능은 9주 후에 안정되었습니다. 약한 MFC-1은 3주차부터 9주차까지 성능이 떨어졌고, 9주차부터 17주차까지 성능이 좋지 않았다. 대조적으로, 지속적인 성능 향상을 보여주는 세 개의 강력한 MFC(#2,4,3)는 초기에 좋은 후속 성능을 산출했다. LSV 분극 테스트 결과 양극 저항은 유사하게 나타났지만 강한 MFC는 약한 MFC보다 2.8~3.6배, 음극 저항은 7.5~23.9배 더 낮은 출력을 보였다. CV 결과는 모든 MFC에서 양극 순 전류가 지속적으로 증가하여 음극 바이오필름이 계속 증가하고 있음을 보여주었다. MFC-1은 17주차에 음극 저항이 47% 감소한 반면 음극 전류와 셀 성능은 증가하였다. 회귀분석 결과 음극저항은 약한 MFC의 제한요인이고 양극저항은 강한 MFC의 제한요인임을 알 수 있었다. 본 연구에서는 MFC 성능 향상을 위해 MFC의 양극과 약한 MFC의 양극을 개선하는 중요한 작동 원리를 제안하였다. 활성탄(AC)은 MFC에서 유망한 양극 촉매로 널리 입증되었다. 그러나 제한된 산소 환원 반응(ORR) 촉매는 MFC의 낮은 발전을 초래한다. 본 연구에서는 AC계 공기양극의 ORR 촉매 활성을 향상시키기 위하여 환원된 산화그래핀(rGO), 산화그래핀(GO), 카본블랙(CB)을 서로 다른 비율로 첨가제로 사용하였다. LSV(Linear Sweep Voltammetry) 분극은 최적의 중량비로 rGO 양극으로 4203 mW/m2의 최대 출력밀도를 얻었으며, GO(4083 mW/m2) 양극과 CB(3283 mW/m2) 양극으로 나타났다. 실제 MFC의 전력 출력은 LSV 편광 결과와 양호한 일치를 보였다. 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 결과는 첨가 물질의 최적 부하가 음극 임피던스를 감소시킬 수 있음을 보여주는 반면, 순환 전압 측정(Cyclic Voltammetry, CV) 측정은 해당 양극의 ORR 촉매 활성 향상을 보여주었다. 변형된 모든 양극도 주사전자현미경(SEM)과 두께 측정을 통해 분석하였다. 본 연구에서는 MFCs에서 AC계 양극의 촉매 활성을 향상시키기 위한 첨가제 재료로 GO를 사용하는 것이 잠재적인 대안임을 밝혔다. MEC에서 수소 재산화를 피하기 위해서는 두 개의 작동 챔버를 분리해야 합니다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 멤브레인이 널리 사용되어 왔다. 그러나, 오늘날 널리 사용되는 상업용 막은 높은 비용으로 인해 높은 셀 내부 저항, 두 챔버 사이의 pH 불균형 및 폐기의 어려움으로 인해 한계에 직면하고 있다. 본 연구에서는 필름 형성의 용이성, 생분해성, 가성비 등의 우수한 특성으로 인해 폴리(비닐알코올)(Poly(vinyl alcohol)을 멤브레인 제작용 소재로 조사하였다. MECs에서 PVA membrane-cathode assembly(MCA)를 제작하여 기대되는 결과를 얻은 것은 이번이 처음이다. MCA는 총 수소 부피 및 속도(17.8 mL 및 0.6 L-H2/L.d)를 AEM 막(17.6 mL 및 0.6 L-H2/L.d)보다 약간 우수하고, 별도의 PVA 막(9.5 mL 및 0.3 L-H2/L.d)보다 2배 높게 제조하였다. MCA와 AEM에서 발생한 전류밀도는 유사하였다(각각 3382 mA/m2와 3459 mA/m2). MCA에서 양극 분극 저항과 음극 임피던스가 더 높은 것은 PVA를 사용한 스테인레스 스틸 메쉬 양극의 한쪽 면 전체에 캐스팅이 이루어졌기 때문일 수 있다. 따라서 수소 진화 반응(HER)에 사용할 수 있는 활성 부위가 크게 감소했습니다. 한편, PVA의 높은 음극 분극 저항 및 음극 임피던스는 PVA 막의 스웰링(swelling) 때문일 수 있다. PVA를 수용액에 장시간 침지시키면 스웰링되어 인접한 음극 표면의 일부를 덮었다. MCA의 전반적인 수소 회수 및 전체 에너지 효율은 AEM과 유사했다. 또한 MCA를 생산하는 비용은 상용 AEM을 구입하는 비용(각각 $50.7/m2 및 $178/m2)보다 3분의 1 이상 낮았습니다. MECs에서 우려되는 문제 중 하나는 양극 표면의 가스 걸림이다. 그러나 이 문제는 해결책을 찾기 위해 깊이 조사된 적이 없다. 본 연구에서는 처음으로 MECs에 외부 자기장을 적용하여 갇힌 가스를 방출한 후 바이오 수소 가스 생산을 가속화하였다. 그 결과 자기장의 영향 없이 작동하는 MEC에 비해 400mT의 자기 강도에서 수소가스 생산률이 67.6% 성공적으로 증가하는 것으로 나타났다. 자기장의 적용은 MEC에서 전류 밀도(최대 37%), 전체 수소 회수율(49%에서 93%), 전체 에너지 회수율(37%에서 57%)을 증가시켰다. 전기화학 실험(즉, LSV 편광, EIS, CV)은 음극 성능과 관계없이 자기장이 양극 성능에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 자기강도가 증가함에 따라 양극편광저항과 음극임피던스가 모두 감소하였다. 우리의 초기 가설을 넘어서는 흥미로운 발견이 결정되었다. 자기장이 약한 바이오 양극의 성능을 증가시킬 수 있다는 것이다. 이 가정을 명확히 하기 위해서는 추가적인 미생물 분석이 필요하다. 게다가, MECs 건설은 또한 원자로에 수소가 저장되는 것을 피하기 위해 최적화될 필요가 있다. MEC 성능을 평가하기 위해서는 재현성이 높은 접근법을 찾는 것이 필수적이다. 지금까지, 내부 셀 저항 및 셀 성분 저항을 계산하기 위한 Applied Voltage Change(AVC; Applied Voltage Change) 방법이 널리 제공되어 왔다. 그러나 이 방법은 몇 가지 한계를 제시한다. 본 연구에서는 이러한 한계를 해결하기 위해 LSV(Linear Sweep Voltammetry) 분극법을 최초로 도입하였다. LSV 편광 방식은 현재 생산량 측면에서 AVC 방식보다 높게 추정된 데이터를 보여주었다. 그러나 스캔 속도가 다른 LSV 분극 테스트에서 계산된 전극 분극 저항은 EIS 측정뿐만 아니라 서로 유사성을 보였다.
미생물연료전지(MFC)와 미생물전기분해전지(MEC)를 포함하는 미생물전기화학시스템(Microbic electrochemical systems, MES)은 전기, 수소가스, 메탄가스 등 재생에너지를 동시에 생산하면서 폐수를 처리하는 실용성 때문에 매혹적인 연구 주제가 되고 있다. 그러나 MES에서는 촉매 물질의 업그레이드, 시스템의 스케일업, 시스템이 최대 용량으로 작동하기 위한 조건의 최적화 등 아직 극복해야 할 많은 한계가 존재한다. 여기에서는 MES의 성능에 영향을 미치는 요인을 개선하기 위한 노력이 소개될 것이다. 정확하고 재현 가능한 MFC 실험을 위해서는 양극에 폐수 미생물 바이오타를 처음 접종하는 동안 시스템이 안정적인 성능을 내는 시기를 결정하는 것이 필수적이다. 흑연 브러시 양극과 공기 양극으로 구성된 동일한 단일 챔버 MFC 4개를 테스트하였다. 17주 연속으로 LSV(Linear Sweep Voltammetry) 분극 및 CV(Cyclic Voltammetry) 테스트를 포함한 전기화학적 측정을 실시하였다. 모든 MFC의 성능은 9주 후에 안정되었습니다. 약한 MFC-1은 3주차부터 9주차까지 성능이 떨어졌고, 9주차부터 17주차까지 성능이 좋지 않았다. 대조적으로, 지속적인 성능 향상을 보여주는 세 개의 강력한 MFC(#2,4,3)는 초기에 좋은 후속 성능을 산출했다. LSV 분극 테스트 결과 양극 저항은 유사하게 나타났지만 강한 MFC는 약한 MFC보다 2.8~3.6배, 음극 저항은 7.5~23.9배 더 낮은 출력을 보였다. CV 결과는 모든 MFC에서 양극 순 전류가 지속적으로 증가하여 음극 바이오필름이 계속 증가하고 있음을 보여주었다. MFC-1은 17주차에 음극 저항이 47% 감소한 반면 음극 전류와 셀 성능은 증가하였다. 회귀분석 결과 음극저항은 약한 MFC의 제한요인이고 양극저항은 강한 MFC의 제한요인임을 알 수 있었다. 본 연구에서는 MFC 성능 향상을 위해 MFC의 양극과 약한 MFC의 양극을 개선하는 중요한 작동 원리를 제안하였다. 활성탄(AC)은 MFC에서 유망한 양극 촉매로 널리 입증되었다. 그러나 제한된 산소 환원 반응(ORR) 촉매는 MFC의 낮은 발전을 초래한다. 본 연구에서는 AC계 공기양극의 ORR 촉매 활성을 향상시키기 위하여 환원된 산화그래핀(rGO), 산화그래핀(GO), 카본블랙(CB)을 서로 다른 비율로 첨가제로 사용하였다. LSV(Linear Sweep Voltammetry) 분극은 최적의 중량비로 rGO 양극으로 4203 mW/m2의 최대 출력밀도를 얻었으며, GO(4083 mW/m2) 양극과 CB(3283 mW/m2) 양극으로 나타났다. 실제 MFC의 전력 출력은 LSV 편광 결과와 양호한 일치를 보였다. 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 결과는 첨가 물질의 최적 부하가 음극 임피던스를 감소시킬 수 있음을 보여주는 반면, 순환 전압 측정(Cyclic Voltammetry, CV) 측정은 해당 양극의 ORR 촉매 활성 향상을 보여주었다. 변형된 모든 양극도 주사전자현미경(SEM)과 두께 측정을 통해 분석하였다. 본 연구에서는 MFCs에서 AC계 양극의 촉매 활성을 향상시키기 위한 첨가제 재료로 GO를 사용하는 것이 잠재적인 대안임을 밝혔다. MEC에서 수소 재산화를 피하기 위해서는 두 개의 작동 챔버를 분리해야 합니다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 멤브레인이 널리 사용되어 왔다. 그러나, 오늘날 널리 사용되는 상업용 막은 높은 비용으로 인해 높은 셀 내부 저항, 두 챔버 사이의 pH 불균형 및 폐기의 어려움으로 인해 한계에 직면하고 있다. 본 연구에서는 필름 형성의 용이성, 생분해성, 가성비 등의 우수한 특성으로 인해 폴리(비닐알코올)(Poly(vinyl alcohol)을 멤브레인 제작용 소재로 조사하였다. MECs에서 PVA membrane-cathode assembly(MCA)를 제작하여 기대되는 결과를 얻은 것은 이번이 처음이다. MCA는 총 수소 부피 및 속도(17.8 mL 및 0.6 L-H2/L.d)를 AEM 막(17.6 mL 및 0.6 L-H2/L.d)보다 약간 우수하고, 별도의 PVA 막(9.5 mL 및 0.3 L-H2/L.d)보다 2배 높게 제조하였다. MCA와 AEM에서 발생한 전류밀도는 유사하였다(각각 3382 mA/m2와 3459 mA/m2). MCA에서 양극 분극 저항과 음극 임피던스가 더 높은 것은 PVA를 사용한 스테인레스 스틸 메쉬 양극의 한쪽 면 전체에 캐스팅이 이루어졌기 때문일 수 있다. 따라서 수소 진화 반응(HER)에 사용할 수 있는 활성 부위가 크게 감소했습니다. 한편, PVA의 높은 음극 분극 저항 및 음극 임피던스는 PVA 막의 스웰링(swelling) 때문일 수 있다. PVA를 수용액에 장시간 침지시키면 스웰링되어 인접한 음극 표면의 일부를 덮었다. MCA의 전반적인 수소 회수 및 전체 에너지 효율은 AEM과 유사했다. 또한 MCA를 생산하는 비용은 상용 AEM을 구입하는 비용(각각 $50.7/m2 및 $178/m2)보다 3분의 1 이상 낮았습니다. MECs에서 우려되는 문제 중 하나는 양극 표면의 가스 걸림이다. 그러나 이 문제는 해결책을 찾기 위해 깊이 조사된 적이 없다. 본 연구에서는 처음으로 MECs에 외부 자기장을 적용하여 갇힌 가스를 방출한 후 바이오 수소 가스 생산을 가속화하였다. 그 결과 자기장의 영향 없이 작동하는 MEC에 비해 400mT의 자기 강도에서 수소가스 생산률이 67.6% 성공적으로 증가하는 것으로 나타났다. 자기장의 적용은 MEC에서 전류 밀도(최대 37%), 전체 수소 회수율(49%에서 93%), 전체 에너지 회수율(37%에서 57%)을 증가시켰다. 전기화학 실험(즉, LSV 편광, EIS, CV)은 음극 성능과 관계없이 자기장이 양극 성능에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 자기강도가 증가함에 따라 양극편광저항과 음극임피던스가 모두 감소하였다. 우리의 초기 가설을 넘어서는 흥미로운 발견이 결정되었다. 자기장이 약한 바이오 양극의 성능을 증가시킬 수 있다는 것이다. 이 가정을 명확히 하기 위해서는 추가적인 미생물 분석이 필요하다. 게다가, MECs 건설은 또한 원자로에 수소가 저장되는 것을 피하기 위해 최적화될 필요가 있다. MEC 성능을 평가하기 위해서는 재현성이 높은 접근법을 찾는 것이 필수적이다. 지금까지, 내부 셀 저항 및 셀 성분 저항을 계산하기 위한 Applied Voltage Change(AVC; Applied Voltage Change) 방법이 널리 제공되어 왔다. 그러나 이 방법은 몇 가지 한계를 제시한다. 본 연구에서는 이러한 한계를 해결하기 위해 LSV(Linear Sweep Voltammetry) 분극법을 최초로 도입하였다. LSV 편광 방식은 현재 생산량 측면에서 AVC 방식보다 높게 추정된 데이터를 보여주었다. 그러나 스캔 속도가 다른 LSV 분극 테스트에서 계산된 전극 분극 저항은 EIS 측정뿐만 아니라 서로 유사성을 보였다.
Microbial electrochemical systems (MES), which include microbial fuel cells (MFCs) and microbial electrolysis cells (MECs), have become a fascinating research topic because of their practicality in treating wastewater while simultaneously producing renewable energy such as electricity, hydrogen gas,...
Microbial electrochemical systems (MES), which include microbial fuel cells (MFCs) and microbial electrolysis cells (MECs), have become a fascinating research topic because of their practicality in treating wastewater while simultaneously producing renewable energy such as electricity, hydrogen gas, and methane gas, etc. However, there are still many limitations that need to be overcome in MES such as upgrading catalyst materials, scaling up the system, optimizing conditions for the system to operate at the highest capacity, etc. Here, efforts aimed at improving the factors affecting the performance of the MES would be introduced. For the accurate and reproducible MFCs experiments, it is essential to determine when the systems produce stable performance while anode is initially inoculated with wastewater microbial biota. Four identical single-chamber MFCs composed of a graphite brush anode and air-cathode were tested. For 17 consecutive weeks, electrochemical measurements including linear sweep voltammetry (LSV) polarization and cyclic voltammetry (CV) tests were taken. All the MFCs performances became stable after 9 weeks. One weak MFC-1 experienced a performance drop initially during the 3rd–9th week, and showed a bad subsequent performance during the 9th–17th week. In contrast, three strong MFCs (#2,4,3) showing continuous performance enhancement initially produced good subsequent performance. LSV polarization test showed that although cathode resistances showed similarly, the strong MFCs produced power 2.8–3.6 times higher and anode resistance 7.5–23.9 times lower than the weak. CV results showed anodic net current increased continuously in all MFCs, indicating anode biofilms kept growing. In MFC-1, in the 17th week, anode resistance reduced by 47%, while anodic current and cell performance increased. Regression analysis showed anode resistance was a limiting factor of the weak MFC and cathode resistance was that of the strong MFCs. This study recommended one important operating principle: improve anodes in weak MFCs and cathodes in strong MFCs to achieve better MFC performance. Activated carbon (AC) has been widely demonstrated as a promising cathode catalyst in MFCs. However, its limited oxygen reduction reaction (ORR) catalytic results in the low power generation of MFCs. In this study, we utilized reduced graphene oxide (rGO), graphene oxide (GO), and carbon black (CB) at different ratios as additive materials to enhance the ORR catalytic activity of the AC-based air cathode. Linear sweep voltammetry (LSV) polarization showed that with the optimal weight ratio, the highest maximum power density of 4203 mW/m2 was obtained with rGO cathode, followed by those with GO (4083 mW/m2) and CB (3283 mW/m2) cathodes. Practical MFCs power output showed good agreement with LSV polarization results. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results indicated that the optimal loading of additive materials could diminish the cathodic impedance, while cyclic voltammetry (CV) measurements revealed the ORR catalytic activity enhancement of the corresponding cathode. All modified cathodes were also analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and thickness measurement. This study revealed that, in terms of cost-effectiveness and efficiency, using GO as an additive material to improve the catalytic activity of AC-based cathode in MFCs is a potential option. To avoid hydrogen re-oxidation in the MEC, the separation of two working chambers is required. Therefore, membranes have been widely used to solve this problem. However, the commercial membranes widely used today face limitations due to their high cost, creating high cell internal resistance, pH imbalance between the two chambers, and difficulty in disposal. Poly(vinyl alcohol) (PVA) has been investigated in this study as a material for fabricating membranes due to its outstanding characteristics such as ease of film formation, biodegradability and cost-effectiveness. This is the first time that a PVA membrane-cathode assembly (MCA) in MECs has been fabricated and it has obtained the expected results. MCA produced a total hydrogen volume and rate (17.8 mL and 0.6 L-H2/L.d) slightly better than AEM membrane (17.6 mL and 0.6 L-H2/L.d), and twice as high as a separate PVA membrane (9.5 mL and 0.3 L-H2/L.d). Current density generated in MCA and AEM was similar (3382 mA/m2 and 3459 mA/m2, respectively). In MCA, the higher cathode polarization resistance and cathodic impedance could be attributed to the casting entirely on one side of the stainless steel mesh cathode with PVA. Therefore, the available active sites for the hydrogen evolution reaction (HER) were reduced significantly. Meanwhile, high anode polarization resistance and anodic impedance of PVA were possibly due to the PVA membrane swelling. When PVA was immersed for a long time in an aqueous solution, it swelled and covered a part of the adjacent anode surface. Overall hydrogen recovery and overall energy efficiency in MCA were comparable to AEM. In addition, the cost to produce an MCA was more than a third less than purchasing a commercial AEM ($ 50.7/m2 and $ 178/m2, respectively). One of the concerned problems in MECs is the gas entrapment on the cathode surface. However, this problem has never been deeply investigated to find a solution. In this study, for the first time, the external magnetic field has been applied to MECs for the purpose of releasing entrapped gas and then accelerating biohydrogen gas production. The results showed that the hydrogen gas production rate successfully increased by 67.6% at the magnetic intensity of 400 mT compared with the MEC operating without the influence of the magnetic field. The application of magnetic fields increased the current density (up to 37%), overall hydrogen recovery (from 49% to 93%) and overall energy recovery (from 37% to 57%) in MECs. Electrochemical experiments (i.e., LSV polarization, EIS and CV) showed that magnetic field had an impact on cathode performance regardless of anode performance. As the magnetic intensity increased, cathode polarization resistance and cathodic impedance both decreased. An interesting finding beyond our initial hypothesis was determined: magnetic field could increase the performance of the weak bioanode. Further microbial analyses are needed to clarify this assumption. In addition, MECs construction also needs to be optimized to avoid hydrogen being stored in the reactor. It is essential to find a highly reproducible approach for the purpose of evaluating MECs performance. Until now, the applied voltage change (AVC) method has been widely provided to calculate internal cell resistance and also cell components resistance. However, this method presents some limitations. This study introduced the linear sweep voltammetry (LSV) polarization method for the first time in an attempt to address those limitations. LSV polarization method showed highly overestimated data than the AVC method in terms of current production. However, the electrode polarization resistances calculated from LSV polarization test with different scan rates showed similarities to each other and as well as EIS measurement.
Microbial electrochemical systems (MES), which include microbial fuel cells (MFCs) and microbial electrolysis cells (MECs), have become a fascinating research topic because of their practicality in treating wastewater while simultaneously producing renewable energy such as electricity, hydrogen gas, and methane gas, etc. However, there are still many limitations that need to be overcome in MES such as upgrading catalyst materials, scaling up the system, optimizing conditions for the system to operate at the highest capacity, etc. Here, efforts aimed at improving the factors affecting the performance of the MES would be introduced. For the accurate and reproducible MFCs experiments, it is essential to determine when the systems produce stable performance while anode is initially inoculated with wastewater microbial biota. Four identical single-chamber MFCs composed of a graphite brush anode and air-cathode were tested. For 17 consecutive weeks, electrochemical measurements including linear sweep voltammetry (LSV) polarization and cyclic voltammetry (CV) tests were taken. All the MFCs performances became stable after 9 weeks. One weak MFC-1 experienced a performance drop initially during the 3rd–9th week, and showed a bad subsequent performance during the 9th–17th week. In contrast, three strong MFCs (#2,4,3) showing continuous performance enhancement initially produced good subsequent performance. LSV polarization test showed that although cathode resistances showed similarly, the strong MFCs produced power 2.8–3.6 times higher and anode resistance 7.5–23.9 times lower than the weak. CV results showed anodic net current increased continuously in all MFCs, indicating anode biofilms kept growing. In MFC-1, in the 17th week, anode resistance reduced by 47%, while anodic current and cell performance increased. Regression analysis showed anode resistance was a limiting factor of the weak MFC and cathode resistance was that of the strong MFCs. This study recommended one important operating principle: improve anodes in weak MFCs and cathodes in strong MFCs to achieve better MFC performance. Activated carbon (AC) has been widely demonstrated as a promising cathode catalyst in MFCs. However, its limited oxygen reduction reaction (ORR) catalytic results in the low power generation of MFCs. In this study, we utilized reduced graphene oxide (rGO), graphene oxide (GO), and carbon black (CB) at different ratios as additive materials to enhance the ORR catalytic activity of the AC-based air cathode. Linear sweep voltammetry (LSV) polarization showed that with the optimal weight ratio, the highest maximum power density of 4203 mW/m2 was obtained with rGO cathode, followed by those with GO (4083 mW/m2) and CB (3283 mW/m2) cathodes. Practical MFCs power output showed good agreement with LSV polarization results. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results indicated that the optimal loading of additive materials could diminish the cathodic impedance, while cyclic voltammetry (CV) measurements revealed the ORR catalytic activity enhancement of the corresponding cathode. All modified cathodes were also analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and thickness measurement. This study revealed that, in terms of cost-effectiveness and efficiency, using GO as an additive material to improve the catalytic activity of AC-based cathode in MFCs is a potential option. To avoid hydrogen re-oxidation in the MEC, the separation of two working chambers is required. Therefore, membranes have been widely used to solve this problem. However, the commercial membranes widely used today face limitations due to their high cost, creating high cell internal resistance, pH imbalance between the two chambers, and difficulty in disposal. Poly(vinyl alcohol) (PVA) has been investigated in this study as a material for fabricating membranes due to its outstanding characteristics such as ease of film formation, biodegradability and cost-effectiveness. This is the first time that a PVA membrane-cathode assembly (MCA) in MECs has been fabricated and it has obtained the expected results. MCA produced a total hydrogen volume and rate (17.8 mL and 0.6 L-H2/L.d) slightly better than AEM membrane (17.6 mL and 0.6 L-H2/L.d), and twice as high as a separate PVA membrane (9.5 mL and 0.3 L-H2/L.d). Current density generated in MCA and AEM was similar (3382 mA/m2 and 3459 mA/m2, respectively). In MCA, the higher cathode polarization resistance and cathodic impedance could be attributed to the casting entirely on one side of the stainless steel mesh cathode with PVA. Therefore, the available active sites for the hydrogen evolution reaction (HER) were reduced significantly. Meanwhile, high anode polarization resistance and anodic impedance of PVA were possibly due to the PVA membrane swelling. When PVA was immersed for a long time in an aqueous solution, it swelled and covered a part of the adjacent anode surface. Overall hydrogen recovery and overall energy efficiency in MCA were comparable to AEM. In addition, the cost to produce an MCA was more than a third less than purchasing a commercial AEM ($ 50.7/m2 and $ 178/m2, respectively). One of the concerned problems in MECs is the gas entrapment on the cathode surface. However, this problem has never been deeply investigated to find a solution. In this study, for the first time, the external magnetic field has been applied to MECs for the purpose of releasing entrapped gas and then accelerating biohydrogen gas production. The results showed that the hydrogen gas production rate successfully increased by 67.6% at the magnetic intensity of 400 mT compared with the MEC operating without the influence of the magnetic field. The application of magnetic fields increased the current density (up to 37%), overall hydrogen recovery (from 49% to 93%) and overall energy recovery (from 37% to 57%) in MECs. Electrochemical experiments (i.e., LSV polarization, EIS and CV) showed that magnetic field had an impact on cathode performance regardless of anode performance. As the magnetic intensity increased, cathode polarization resistance and cathodic impedance both decreased. An interesting finding beyond our initial hypothesis was determined: magnetic field could increase the performance of the weak bioanode. Further microbial analyses are needed to clarify this assumption. In addition, MECs construction also needs to be optimized to avoid hydrogen being stored in the reactor. It is essential to find a highly reproducible approach for the purpose of evaluating MECs performance. Until now, the applied voltage change (AVC) method has been widely provided to calculate internal cell resistance and also cell components resistance. However, this method presents some limitations. This study introduced the linear sweep voltammetry (LSV) polarization method for the first time in an attempt to address those limitations. LSV polarization method showed highly overestimated data than the AVC method in terms of current production. However, the electrode polarization resistances calculated from LSV polarization test with different scan rates showed similarities to each other and as well as EIS measurement.
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