Page 24 - 《精细化工》2021年第9期

·1738· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 38 卷

但这些水处理工艺部分需要消耗电能，且都不能提 的意义 [13-14] 。本文综述了近几年电极改性强化有机
取滞留在废水中的大量化学能，造成了可回收能源 污染物降解同步产电的研究进展，以期为 MFC 在实
的损失。因此，寻求一种绿色节能的水处理技术具 际工程中的应用提供理论支持。
有十分重要的现实意义。微生物燃料电池（MFC） 1911 年，英国植物学家波特首次发现接种的菌
作为一种典型的生物电化学系统，在产电微生物的 剂可以产生电流，但这一发现直到 20 世纪 80 年代
作用下将有机质中的化学能转化为电能，同时实现 才得到更多的认可 [15] 。20 世纪 90 年代，LOGAN 和
废水中有机物的降解（图 1），是能源及环保领域的 其他研究人员开发了以废水为基质的 MFC，随着该
[9]
一项重要技术 。 技术在废水处理领域的发展，通过耦合常规水处理

工艺如膜生物反应器（MBR）以及厌氧-缺氧-好氧工
2
2
艺（A /O）等，可以减少 MBR 膜污染以及提高 A /O
厌氧反应段污染物降解效能，实现不同工艺的优势
互补 [16-17] 。MFC 污染物的降解及电能输出受阳极和
阴极材料性能共同影响。阳极材料良好的导电性、
生物相容性以及化学稳定性是加快电子转移速率、
增强细菌黏附能力和延长电极使用寿命的关键性因
素。阴极影响着 MFC 的整体产电性能，选择合适的
阴极材料及催化剂能有效提高氧还原反应（ORR）
的速率，此外，ORR 过程伴随着过氧化氢生成的二
电子反应，对于深度处理难降解有机物具有天然的

图 1 微生物燃料电池示意图 优势 [18] 。传统的电极材料效能低下，常用的贵金属
Fig. 1 Schematic diagram of microbial fuel cell 催化剂如 Pt 又因其昂贵的价格无法大规模应用。因

尽管 MFC 具有污染物降解和产电的双重优势， 此，寻找高效稳定、价格低廉的电极材料对 MFC 整
但整体效能较低限制了其大规模应用 [10-12] 。电极作 体性能的提高及进一步应用具有重大的意义。其中，
为 MFC 的重要组成部分，在提高 MFC 污染物降解 碳基材料、导电聚合物及其复合物、金属或金属氧
及产电性能方面发挥着关键作用。近年来，研究人 化物以及其他新型材料在 MFC 产电及有机污染物
员对 MFC 电极材料的选择及改性进行了大量的研 降解的研究中表现出优异的性能，具有潜在的应用
究工作，具有良好生物相容性、大比表面积、优异 价值。表 1 比较了不同改性电极材料的优势和劣势，
稳定性的电极材料对提高 MFC 性能具有十分重要 并给出了相关改进措施。

表 1 电极材料优势、劣势及相关改进措施
Table 1 Advantages and disadvantages of electrode materials and related improvement measure
改性电极材料 优势 劣势 改进措施 参考文献
碳基 碳纳米管（CNT） 减少动能损失、内阻，增 存在细胞毒性、活化损 控制添加量、与其他碳基或金属材 [18]
材料 加比表面积 失较高以及不稳定性 料结合以提高稳定性
碳纳米纤维（CNF） 比表面积大、导电性高 活化损失高，不适合长 热处理活化及其与导电聚合物复合 [19]
期使用 以降低活化损失
石墨烯（Gr） 电催化活性高、比表面积、 较高的疏水性不利于 与聚合物复合使用以提高亲水性 [20-22]
导电性、机械强度超高 细菌黏附
天然生物炭 来源丰富、价格便宜、导 发电量较低 掺杂金属/金属氧化物以提高发电量 [23-25]
电性高、具备固有氮掺杂
导电聚 聚吡咯（PPy） 电荷转移电阻低、带正电荷 有一定毒性、导电性 与 Gr、氧化石墨烯、CNT 复合使用 [26]
合物/复 低、稳定性差 以获得更高的功率密度输出
合物
聚苯胺（PANI） 亲水性高、降低了过电位、 电导率低，在 pH>4 时 与碳基材料复合或制成 3D 复合材 [27-29]
成本低 发生电化学反应，仅适 料以提高导电性及稳定性
用于低 pH 底物
聚多巴胺（PDA） 氮掺杂丰富、超亲水性、 成本高 与碳基材料复合以减少掺杂量降低 [30]
生物相容性良好 成本
金属/金属氧化物 导电性高、化学稳定性强、 易腐蚀、部分材料成本 与其他材料复合以增强耐腐蚀性， [31-36]
内阻较小、催化活性高 较高 制备单原子催化剂以降低负载量