Page 15 - 《精细化工》2021年第1期
P. 15

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                                     ·5·


                                                                                                         2
            本高的缺点，因此，寻找导电性强、机械强度高且                             的最大功率密度分别达到(202.9±18.1) mW/m 和
                                                                                2
            价格低廉的阴极材料具有重要意义。泡沫镍的三维                             (158.2±15.1) mW/m 。与 UMFC 相比，SMFC 的库
            结构具有降低欧姆电阻且提高催化剂利用率的优                              伦效率较高，但 COD 去除效率较低。ZHANG 等                 [37]
            势。CHENG 等     [29] 利用聚四氟乙烯（PTFE）将活性                利用生物阴极 MFC 处理芥菜块茎废水，在阴极实现
                                                                                                           3
            炭粘结到泡沫镍制备阴极，泡沫镍为阴极的 MFC 产                          了同时硝化和反硝化，最大功率密度为 1.45 W/m ，
                                            2
            生的功率密度为（1190±50）mW/m ，其性能与 Pt/                     COD 去除率为 91%，去除总磷可达 80.8%±1.0%。
            碳布阴极相当，而成本仅是 Pt/碳布阴极成本的                            微生物催化剂可以降低 MFC 的构造成本且提高
            1/30。SSM 由于其低成本和耐用性受到研究者的关                         MFC的稳定性，作为 MFC阴极具有一定的应用潜力。
            注，SSM 为阴极的 MFC 产生的最大功率密度为
            3.1 mW/m 2[30] 。但 SSM 在操作过程中腐蚀和盐析严
            重，而不锈钢纤维毡（SSFF）具有机械性强、比表
            面积大和柔韧性强的优点，采用水浴法将 Pd 纳米
            催化剂直接负载在 SSFF 上制成 MFC 阴极，可获
                                                 2
            得 492.65 mV 的输出电压和 390.79 mW/m 的功率密
            度 [31] 。
                 Pt 具有低电位、促进氧化还原反应的特点，已
            作为催化剂被广泛应用于 MFC 阴极。但是，这种贵
            金属成本高、易中毒等问题极大地限制了该技术的
            适用性，因此，研究者们一直在开发可替代催化剂                     [32] ，
            以降低 MFC 的成本并提高其产电效率。氮掺杂的石
            墨烯是一种通过化学途径合成的新型氮掺杂的氧还
            原催化剂，是 Pt 族金属的低成本替代品。近年来，
            已经证明了氮掺杂石墨烯阴极基 MFC 能够稳定发
            电 [33] 。CHOI 等 [34] 使用电沉积法制造了镍纳米颗粒催

                                                         2
            化剂，涂覆到碳毡上最大功率密度达到 1630.7 mW/m ，                    图 5  MnO 2 /CNT/PTFE 的 SEM 照片（a）和 EDX 分析图
            比在相同条件下使用 Pt 催化剂获得的功率密度高                                （b）  [35]
            400%。Ni/ NiO x 纳米颗粒薄层在阴极上的均匀沉积，                    Fig. 5    SEM image (a) and EDX analysis  of MnO 2 /CNT/
                                                                     PTFE (b) [35]
            从而改善了碳毡的电导率、催化活性和长期稳定性，
            同时降低了电子传输阻力，诱导了 ORR 的加速。                               生物膜污染也是造成阴极性能衰减的原因之
            TOUACH  等   [35] 在 PTFE 存在下通过机械压力将                 一，阳极上的电化学活性细菌的生物膜形成可以显
            MnO 2 作为活性材料覆盖到负载有 CNT 的碳布阴极                       著增加发电量，而阴极生物膜的生长会降低 MFC 的
            上制成 MnO 2 /CNT/PTFE 阴极（图 5a、5b）。图 5a               性能  [38] 。研究表明，在运行 1 年时间内，阴极生物
            表明，MnO 2 和 CNT 均匀分布，在 PTFE 的作用下                    膜的生长使 MFC 的功率密度降低了约 55%                [39] 。为
            粘结在一起。图 5b 显示，主峰对应于来自 CNT 中                        了在实验室规模的测试中恢复 MFC 的性能，必须将
            的 C，以及来自于 MnO 2 的元素 O 和 Mn，还检测到                    阴极从电池中取出以清洁生物膜。但在大规模的
            用于合成 MnO 2 的前驱体 KMnO 4 中的 K。CNT 具有                 MFC 操作中，要取出清洁并重新安装阴极非常困
            高电导率，PTFE 作为粘合剂促进了催化剂混合物颗                          难。为解决这一问题，MA 等             [40] 提出使用银纳米颗
            粒之间的接触，PTFE 的疏水性降低通过阴极的水分                          粒作为抑菌物质，以控制阴极生物膜的形成。但是，
            流失并防止催化剂失活，可以显著提高 MFC 的功率                          这些材料价格昂贵并仅限于小规模测试，需要了解
            密度。电流密度和功率密度的最大值分别为 1.536                          生物膜形成机制以寻找更加有效的方法。
                                  3
                  3
            mA/dm 和 511.11 mW/m ，COD 去除率为 77%，重                2.2.3   电极面积及间距
            金属的去除率为 60%~100%。                                      除电极材料本身对 MFC 性能具有一定的影响
                 采用微生物作为催化剂制作的生物阴极具有                           外，电极面积及间距同样影响产电效率。LIAN 等                   [41]
            良 好 的产电能 力。 ZHENG 等           [36]  取湿 地沉积 物       以碳布作电极，测试了不同电极面积和电极间距对
            （Sediment）和上流厌氧废水处理反应器（Up-flow                     双室 MFC 效能的影响。输出功率随电极面积的增大
            anaerobic wastewater treatment reactor）的微生物群       而减小，较大的电极面积虽有利于微生物的生长，输
            落为生物阴极制成 SMFC 和 UMFC。SMFC 和 UMFC                   出电压增大，但输出功率与电极面积呈负相关性                     [42] 。
   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20