Page 14 - 《精细化工》2021年第1期

·4· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 38 卷

2
(0.49±0.04) W/m 。MoO 2 具有富集电活性细菌的能 PANI 则充当了碳材料结构之间的电桥，促进电子转
力，N 掺杂可提高碳纳米棒的电子电导率。采用金 移速率。
属氧化物纳米颗粒改性阳极可提高产电菌活性，导 石墨烯作为比表面积大和导电性强的碳材料被
电性和生物相容性有所改善，但在应用过程中应考 广泛应用于 MFC 阳极材料，利用其改性传统碳基材
虑氧化物投加量对 MFC 性能的影响。 料也是研究热点。GEETANJALI 等 [27] 通过 NiWO 4
利用碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs）改性 和氧化石墨烯修饰的阳极碳布来提高单室 MFC 的
阳极也是一种有效方法，CNTs 具有比表面积大，延 产电性能。经修饰后的电极材料性能明显提升，导
展性强及机械强度高的优势。采用 CNTs 涂层的不 电性及生物相容性好，产电菌与电极表面电子传递
锈钢网（SSM）作为阳极的 MFC 最大功率密度为 速率加快。修饰后阳极的 MFC 的功率密度达到 1458
3
2
164.9 W/m ，而石墨毡作为阳极的 MFC 功率密度为 mW/m 。GUO 等 [28] 通过层层自组装技术将石墨烯
3
27.3 W/m ，该法显著提高了 MFC 的产电能力，涂 （Graphene，GR）涂覆碳纸表面，经过石墨烯修饰
覆 CNTs 的 SSM 可以用作改善 MFC 性能并降低投 过的碳纸（Carbon paper，CP）表面粗糙度增加（图
资成本的新电极 [25] 。 4a、4b、4c），有利于更多微生物附着到阳极表面，
DIANA 等 [26] 通过硝酸活化和聚苯胺沉积对碳毡 增强产电能力并有效去除 MFC 中的偶氮染料。配备
（Carbon felt，CF）进行改性分别得到两种电极材 GR/CP 阳极的 MFC 产生的最大功率密度为 368
2
料（CF-HNO 3 和 CF-PANI），这两种阳极改性方法 mW/m ，输出电压为 580 mV，较 CP 阳极 MFC 的
成本低且有利于提高 MFC 的产电效率。电化学测定 最大功率密度和稳定电压有所改善（图 4d、4e）。
2
显示，使用 CF 的 MFC 最大功率密度为 160 mW/m ， 采用多种方法改性均是为了降低材料的内阻，
而 CF-HNO 3 和 CF-PANI 的 MFC 最大功率密度分别 增加表面官能团及提高微生物覆盖率，从而提高 MFC
2
为 400 和 460 mW/m ，表明利用聚合物改性较硝酸 产电效率。改性后的阳极材料的产电性能均有所提
改性阳极有一定的优势。硝酸活化降低了阳极电势 升，但有些方法操作复杂且效果一般，研发新型的
和内阻，增加碳表面上的含氮和含氧官能团，而 阳极材料及改善现有修饰技术是未来的研究重点。

图 4 CP（a）、GR/ CP（b）和 GR/ CP 上的生物膜（c）的 SEM 照片，在 1000 Ω 电阻下 GR/CP 阳极和 CP 阳极的 MFC
的电池电压（d）、功率密度和电池极化曲线（e） [28]
Fig. 4 SEM images of CP (a), GR/CP (b), biofilm on GR/CP (c), cell voltage of MFCs with a GR/CP anode and a CP anode
under 1000 Ω (d), power density and cell polarization curves (e) [28]

2.2.2 阴极 和石墨片等碳基材料。由于微生物污染形成生物膜
阴极材料会显著影响生物阴极的性能，其具有 影响 ORR 反应，阴极的氧还原动力（ORR）慢于阳
高的氧化还原电位，易于捕获质子，在氧还原和生 极。因此，研究者们不断开发出新的阴极材料及催
物膜形成中起着至关重要的作用。大多数用作阳极 化剂，以期提高 MFC 的性能。
的材料都可以用作阴极，目前常用的是碳纸、碳布 碳基材料作为阴极存在内阻高、延展性差及成