Flat electrodes are useful in microbial fuel cells (MFCs) as close electrode spacing improves power generation. Carbon cloth and carbon paper materials typically used in hydrogen fuel cells, however, are prohibitively expensive for use in MFCs. An inexpensive carbon mesh material was examined here as a substantially less expensive alternative to these materials for the anode in an MFC. Pretreatment of the carbon mesh was needed to ensure adequate MFC performance. Heating the carbon mesh in a muffle furnace (450 °C for 30 min) resulted in a maximum power density of 922 mW/m2 (46 W/m3) with this heat-treated anode, which was 3% more power than that produced using a mesh anode cleaned with acetone (893 mW/m2; 45 W/m3). This power density with heating was only 7% less than that achieved with carbon cloth treated by a high temperature ammonia gas process (988 mW/m2; 49 W/m3). When the carbon mesh was treated by the ammonia gas process, power increased to 1015 mW/m2 (51 W/m3). Analysis of the cleaned or heated surfaces showed these processes decreased atomic O/C ratio, indicating removal of contaminants that interfered with charge transfer. Ammonia gas treatment also increased the atomic N/C ratio, suggesting that this process produced nitrogen related functional groups that facilitated electron transfer. These results show that low cost heat-treated carbon mesh materials can be used as the anode in an MFC, providing good performance and even exceeding performance of carbon cloth anodes.

Carbon brush electrodes have been used to provide high surface areas for bacterial growth and high power densities in microbial fuel cells (MFCs). A high-temperature ammonia gas treatment has been used to enhance power generation, but less energy-intensive methods are needed for treating these electrodes in practice. Three different treatment methods are examined here for enhancing power generation of carbon fiber brushes: acid soaking (CF-A), heating (CF-H), and a combination of both processes (CF-AH). The combined heat and acid treatment improve power production to 1370 mW m−2, which is 34% larger than the untreated control (CF-C, 1020 mW m−2). This power density is 25% higher than using only acid treatment (1100 mW m−2) and 7% higher than that using only heat treatment (1280 mW m−2). XPS analysis of the treated and untreated anode materials indicates that power increases are related to higher N1s/C1s ratios and a lower C–O composition. These findings demonstrate efficient and simple methods for improving power generation using graphite fiber brushes, and provide insight into reasons for improving performance that may help to further increase power through other graphite fiber modifications.

Single chambered air-cathode microbial fuel cells (MFCs) are promising to be scaled up as sustainable wastewater treatment systems. However, the current air-cathode made by brushing noble metal catalyst and Nafion binder onto carbon matrix becomes one of the biggest bottlenecks for the further development of MFCs due to its high cost, huge labor-consuming and less accuracy. A novel structure of air-cathode was constructed here by rolling activated carbon (AC) and polytetrafluoroethylene (PTFE) as catalyst layer to enhance the reproducibility and improve the performance by an optimized three-phase interface (TPI). Air-cathodes with AC/PTFE ratios of 3, 5, 6, 8 and 11 in the catalyst layer were prepared, and the physical and electrochemical techniques were employed to investigate their surface microstructure and electrochemical characteristics. Uniform cross-linked ropiness networks were observed from the catalyst layer of all the cathodes and increased as the AC/PTFE ratio decreased, while the exchange currents were positively related to this ratio. Maximum power densities (MPDs) decreased as follows: AC/PTFE = 6 (802 mW m−2 at 3.4 A m−2), 5 (704 mW m−2 at 2.2 mA m−2), 8 (647 mW m−2 at 2.2 A m−2), 3 (597 mW m−2 at 2.1 A m−2) and 11 (584 mW m−2 at 2.0 mA m−2), which was due to the changes of both the capacitance characteristics and conductivities according to the electrochemical impedance spectrum (EIS) analysis. This study demonstrated that inexpensive, highly reproducible, high performance and scalable air-cathode can be produced by rolling method without using noble metal and expensive binder.

Two challenges for improving the performance of air cathode, single-chamber microbial fuel cells (MFCs) include increasing Coulombic efficiency (CE) and decreasing internal resistance. Nonbiodegradable glass fiber separators between the two electrodes were shown to increase power and CE, compared to cloth separators (J-cloth) that were degraded over time. MFC tests were conducted using glass fiber mats with thicknesses of 1.0 mm (GF1) or 0.4 mm (GF0.4), a cation exchange membrane (CEM), and a J-cloth (JC), using reactors with different configurations. Higher power densities were obtained with either GF1 (46 ± 4 W/m3) or JC (46 ± 1 W/m3) in MFCs with a 2 cm electrode spacing, when the separator was placed against the cathode (S-configuration), rather than MFCs with GF0.4 (36 ± 1 W/m3) or CEM (14 ± 1 W/m3). Power was increased to 70 ± 2 W/m3 by placing the electrodes on either side of the GF1 separator (single separator electrode assembly, SSEA) and further to 150 ± 6 W/m3 using two sets of electrodes spaced 2 cm apart (double separator electrode assembly, DSEA). Reducing the DSEA electrode spacing to 0.3 cm increased power to 696 ± 26 W/m3 as a result of a decrease in the ohmic resistance from 5.9 to 2.2 Ω. The main advantages of a GF1 separator compared to JC were an improvement in the CE from 40% to 81% (S-configuration), compared to only 20−40% for JC under similar conditions, and the fact that GF1 was not biodegradable. The high CE for the GF1 separator was attributed to a low oxygen mass transfer coefficient (kO = 5.0 × 10−5 cm/s). The GF1 and JC materials differed in the amount of biomass that accumulated on the separator and its biodegradability, which affected long-term power production and oxygen transport. These results show that materials and mass transfer properties of separators are important factors for improving power densities, CE, and long-term performance of MFCs.

Abstract Bioremediation is a cost‐effective and eco‐friendly approach to decontaminate soils polluted by petroleum hydrocarbons. However, this technique usually requires a long time due to the slow degradation rate by bacteria. By applying U‐tube microbial fuel cells (MFCs) designed here, the degradation rate of petroleum hydrocarbons close to the anode (<1 cm) was enhanced by 120% from 6.9 ± 2.5% to 15.2 ± 0.6% with simultaneous 125 ± 7 C of charge output (0.85 ± 0.05 mW/m 2 , 1 kΩ) in the tested period (25 days). Hydrocarbon fingerprint analysis showed that the degradation rate of both alkanes and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) was accelerated. The decrease of initial water content from 33% to 28% and 23% resulted in a decrease on charge output and hydrocarbon degradation rate, which could be attributed to the increase of internal resistance. A salt accumulation was observed in each reactor due to the evaporation of water from the air‐cathode, possibly inhibited the activity of exoelectrogenic bacteria (EB) and resulted in the elimination of the current at the end of the tested period. The number of hydrocarbon degradation bacteria (HDB) in soil close to the anode increased by nearly two orders of magnitude in the MFC assisted system (373 ± 56 × 10 3 CFU/g‐soil) than that in the disconnected control (8 ± 2 × 10 3 CFU/g‐soil), providing a solid evidence for in situ biostimulation of HDB growth by colonization of EB in the same system. Biotechnol. Bioeng. 2012; 109:426–433. © 2011 Wiley Periodicals, Inc.

Soil contaminated with the heavy metal Cadmium (Cd) is a widespread problem in many parts of the world. Based on metagenomic analysis, we investigated the functional potential and structural diversity of the microbial community in Cd-contaminated and non-contaminated soil samples and we explored the associated metabolic pathway network in cluster of orthologous groups (COG) and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG). The results showed that microorganisms in these soils were quite abundant, and many of them possessed numerous physiological functions. However, Cd-contamination has the potential to reduce the microbial diversity and further alter the community structure in the soil. Notably, function analysis of the crucial microorganisms (e. g. Proteobacteria, Sulfuricella and Thiobacillus) indicated that these bacteria and their corresponding physiological functions were important for the community to cope with Cd pollution. The COG annotation demonstrated that the predominant category was the microbial metabolism cluster in both soil samples, while the relative abundance of metabolic genes was increased in the Cd-contaminated soil. The KEGG annotation results exhibited that the non-contaminated soil had more genes, pathways, modules, orthologies and enzymes involved in metabolic pathways of microbial communities than the Cd-contaminated soil. The relative abundance of some dominant KEGG pathways increased in the Cd contaminated soil, and they were mostly enriched to the metabolism, biosynthesis and degradation of amino acids, fatty acids and nucleotides, which was related to Cd tolerance of the microorganisms. Cd-contamination can decrease the taxonomic species of microbes in soil and change the soil microbial composition. The functional pathways involved in the soil change with microbial structure variation, many of which are related to the heavy metal tolerance of soil microbes. The Cd-contaminated soil microbes is a potential resource for exploring cadmium resistant or tolerant bacteria.