Page 13 - 《精细化工》2021年第1期

第 1 期 郑琳姗，等: 微生物燃料电池技术及其影响因素研究进展 ·3·

致发电和污染物去除效率下降。针对这一问题，采 ZHANG 等 [16] 构建了以碳刷为阳极的圆柱形 MFC
用添加缓冲溶液和短期电解质 pH 调节剂可将 pH 稳 （图 3），在圆柱形 MFC 中，阳极位于电池的中心
定在中性 [14] 。多个 MFC 串联或并联组成的栈堆 MFC 位置，MFC 的整个侧面为阴极，扩大了阴极的表面
也有着良好的效果。40 个独立的空气阴极 MFC 串 积使其与氧气接触的机会增多，阳极外部到阴极的
联连接时，最大功率和电流密度分别为 2500 mW/m 2 距离相等减少了内部电阻。电池从立方形改到圆柱
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和 500 mA/m ，并联时最大功率和电流密度分别为 形，内部电阻从 127.21 Ω 降低到 49.66 Ω。接种铜
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5.8 mW/m 和 24 mA/m 2[15] 。单室 MFC 构造的电池 绿假单胞 菌 的圆柱形 MFC 的最大 功率密度 为
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堆栈的优点是由于没有 PEM 以及直接使用空气中 (3322±38) mW/m ，内部电阻减小到(34.0±1.1) Ω，
的自由氧作为电子受体而降低了安装成本，但氧气 圆柱形电池的处理量比立方形电池大 0.7 倍，因此，
容易从阴极扩散到阳极导致库仑效率降低。 圆柱形 MFC 具有更高的污水处理能力。新型 MFC

构型解决了双室电阻大导致 MFC 功率密度低的问
题, 增加了电子传递效率，提高了立方式单室 MFC
处理量，具有成为工程用 MFC 构型的潜力。

图 3 圆柱形微生物燃料电池 [16]
Fig. 3 Cylindrical microbial fuel cell [16]

2.2 电极材料
2.2.1 阳极
阳极作为微生物的载体，起到接收及转移微生
物代谢产生电子的作用，阳极材料的性质影响微生
物的产电能力和电子传递效率，因此，阳极材料需
要具有良好的导电性与生物相容性 [17] 。目前，常用
阳极材料为碳布、碳纸、碳毡、石墨片等碳基材料 [18] ，
具有化学稳定性且成本低等特点 [19] 。相较于碳布，
碳纸材料具有内阻小的优势，采用碳布和碳纸作为
阳极的 MFC 的功率密度分别为 4.7 和 8.5 mW/m 2[20] 。
碳毡材料孔径大可提高微生物附着率，使得碳毡比
碳纸产电性能好 [21] 。石墨片具有导电性强、机械强
度高和电催化活性高的优点 [22] ，以石墨片为阳极的
MFC 稳定电流密度分别比碳布和碳纸阳极大 4 倍和

9 倍，石墨片的高导电性有利于电子从细菌到阳极
图 2 单室微生物燃料电池（a）、双室微生物燃料电池（b） [23]
和堆栈微生物燃料电池（c）的结构示意图 [15] 表面的转移，从而提高了 MFC 产电性能 。
Fig. 2 Structure diagram of single-chamber microbial fuel 但碳基材料具有较高的过电位，增加了电子传
cell (a), double-chamber microbial fuel cell (b) and 递内阻，研究发现，对阳极材料进行改性可提高电
stacked microbial fuel cell (c) [15] [24]
子传递能力。LI 等 将 Co 改性 MoO 2 纳米颗粒高
近年来，为了提高 MFC 的性能，获得更高的功 度分散在氮掺杂的碳纳米棒上，修饰后电池的最大
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率密度，研究者们对 MFC 的结构做了进一步改进。 功率密度为(2.06±0.05) W/m ，远高于裸碳毡阳极