Page 25 - 《精细化工》2021年第9期
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第 9 期            秦   悦，等:  电极改性强化微生物燃料电池产电同步降解有机污染物研究进展                                 ·1739·


            1   碳基/合成材料修饰电极                                    运行 5 个周期，COD 去除率为 63%，最大功率密度
                                                                          2
                                                               为 0.37 W/m 。一些研究表明，碳基催化剂改性在掺
                 碳基材料因具有导电性高、比表面积大、孔隙                          杂杂原子之前，进行化学预处理有利于提高 ORR 催
            率低、生物相容性好、化学和热稳定性高、易获得                             化性能。WANG 等      [38] 利用硫酸和吡嗪酰胺对碳粉进
            以及电子传递能力良好等优点而被广泛用于电极材                             行改性，然后在 700~1000  ℃下进行热解，电化学
            料的制备     [37] 。                                    测试表明，碳粉经硫酸和氮掺杂处理后，含氮官能
            1.1   碳基/合成材料修饰阳极强化 MFC 产电及有机                      团增加，ORR 活性显著增强。其中，CN~800（800  ℃
                 污染物降解                                         下热解）的功率密度最大，为(371±3) mW/m ，COD
                                                                                                      2
                 氧化石墨烯作为纳米片层或多孔结构材料具有                          去除率为 77.2%±1.5%。CNT 及 Gr 应用于 MFC 阴
            高的比表面积、机械强度、导电性，已用作 MFC 的                          极修饰也取得了一些进展。ARYAL 等              [39] 利用多壁碳
            阳极材料，并表现出优异的性能。KHALID 等                   [21] 利   纳米管（MWCNT）修饰 3D-碳纤维刷，当 MWCNT
            用氧化石墨烯修饰阳极降解艳绿染料废水，通过化                                             2
                                                               投加量为 3 mg/cm 时，COD 去除率为未修饰阴极的
            学需氧量（COD）的降低来表征 MFC 中染料的降                          7.1 倍，发电量提高了 7.9 倍。LIU 等         [40] 采用原位聚
            解，结果表明，COD 去除率可达 75.25%，并获得                        合法以 PANI 为黏合剂制备了 CNT 和 Gr 修饰的
                       2
            0.04 mW/cm 的功率密度输出。SAYED 等            [22] 采用电
                                                               Pt/C 阴极，将其应用于厌氧流化床微生物燃料电池
            泳工艺在碳刷表面加入氧化石墨烯，考察了碳刷表
                                                               （AFB-MFC）处理合成的间甲苯酚废水中，结果表
            面原位修饰还原氧化石墨烯（RGO-CB）与普通碳
                                                               明，由于 Gr 较大的比表面积和良好的导电性，经其
            刷（PCB）作为阳极时 MFC 的产电性能。结果表明，
                                                               修饰的阴极性能显著提高，输出的功率密度及对
            利用 RGO-CB 修饰阳极，可以改善微生物与阳极表
                                                                                                          2
                                                               间 甲苯酚的去除率最高分别为 910.40 mW/m 和
            面的电子传递和电化学活性表面积，输出的最大功
                                                               91.76%。天然生物炭因价格便宜、来源丰富且本身
            率密度是未改性阳极的 10 倍，对 COD 的去除率在
                                                               具备固有氮掺杂而表现出出色的电化学活性，已成
            80%左右。天然生物炭材料因具有导电性高、孔隙
                                                               功应用于 MFC。CHAKRABORTY 等          [41] 采用 900  ℃
            丰富、易获得、成本低等优点，可作为一种可行的                             热活化方法合成了微藻衍生活性生物 炭
            MFC 电极材料      [23] 。SONU 等 [24] 考察了硫酸改性玉米
                                                               （ABC~900），考察了其作为低成本 MFC 阴极电催
            芯生物炭（SA-MCB）作为 MFC 阳极处理染料废水
                                                               化剂的性能，运行 90 d 后， COD 去除率为
            的潜力。结果表明，SA-MCB 的沉积有利于生物膜
                                                               79.5%±5.1%，与 MFC-Pt（79.0%±6.7%）对 COD 的
            的形成，当生物炭的投加量为 0.5 g 时，染料废水中                                                                    3
                                                               去除效果相当，最大功率密度为(12.86±0.35) W/m 。
            COD 去除率达 88.39%，脱色率为 81.60%，同时实                    由此看来，碳基催化剂具有较强的经济适用性及良
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            现(49.92±0.5) W/m 的最大功率密度。庞典育等               [25]
                                                               好的稳定性，以碳基材料为基础进行改性使其适用
            利用芦苇、棉花、莲房 3 种天然植物通过炭化工艺
                                                               于各种废水，并且通过适当的电极放大策略进行中
            制备了三维大孔阳极材料，进行了模拟抗生素废水
                                                               试应用，有望驱动工程产业化发展。
            降解的研究，其中莲房作为 MFC 阳极材料性能最
            优，对磺胺甲基唑及氯霉素的去除率分别为 97.60%                        2   导电聚合物/复合物修饰电极
                                                    3
            和 99.50%，输出的最大功率密度为 4.42 W/m 。由此
            可见，碳基材料的低成本、生物兼容性和稳定性使                                 导电聚合物因具有较高的导电性、亲水性以及
            其成为制备 MFC 阳极的优良载体或催化材料，未来                          良好的还原催化活性，在修饰电极材料的研究中得
            对于碳基材料的电子转移效率、生物膜的形成厚度                             到广泛应用     [42-43] 。其与碳材料复合不仅有利于微生
            以及对细菌的毒性等方面的长期评估还有待进一步                             物在电极表面的附着，还可加快电子转移速率，从
            探索。                                                而提高 MFC 污染物降解能力及产电性能。
            1.2   碳基/合成材料修饰阴极强化 MFC 产电及有机                      2.1   导电聚合物/复合物修饰阳极强化 MFC 产电及
                 污染物降解                                             有机污染物降解
                 碳基阴极由于其成本低，具有良好的耐热、机                              LI 等 [27] 制备了聚苯胺-1,8 二氨基萘（PANDAN）
            械及化学性能而受到高度重视。SRAVAN 等                  [20] 采用    改性阳极，考察了 PANDAN 改性、电流和生物膜对
            热压和炭化工艺制备了碳/碳复合电极（C/C），将其                          刚果红降解的影响。结果表明，3 个因素的协同作
            作为双腔 MFC 的阳极和阴极，并与石墨电极进行了                          用加快了电子传递速率，增强了微生物群落的多样
            不同的组合，结果表明，C/C 复合材料为阴极，石                           性，使脱色率及 COD 去除率大大提高，分别为 97%
            墨为阳极（MFC-GC）的 MFC 表现出更好的性能，                        和 88%。ZHONG 等     [44] 利用聚二烯丙基二甲基氯化
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