Page 27 - 《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                                 ·1741·


            钴酞菁（CoPcS）作为催化剂，提高了 MFC 的性能。                       水性以及微生物的负载能力方面均具有良好的性
            与 Co-Gr/CC 和 Co/CC 阴极相比，Co-PANI-Gr/CC 具            能。未来还需进一步研究稳定性强、抗腐蚀效果好、
            有更高的氧化还原催化活性，其最大功率密度为                              成本低廉的金属改性阳极材料以提高 MFC 在实际
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            32.2 mW/m ，分别为 Co-Gr/CC 和 Co/CC 阴极的 1.8            应用中的性能。
            倍和 6.1 倍，当土霉素投加量小于 50 mg/L 时，5 d 降                 3.2   金属/金属氧化物修饰阴极强化 MFC 产电及有
            解率可达 90%以上。由此看来，导电聚合物/复合物改                             机污染物降解
            性阴极具有良好的电催化活性，为维持 MFC 长期稳                              在阴极修饰方面，Pt 作为 MFC 中使用最多的
            定的高效运行，对于 MFC 电极表面产生的生物膜污                          催化剂，由于资源稀缺、价格昂贵，在实际应用中
            染问题，还有待研究人员开发新型材料来进一步解决。                           受到很大限制。近几年来，非贵金属及其氧化物催
                                                               化剂由于来源广泛、价格低廉被广泛应用于 MFC 体
            3   金属/金属氧化物修饰电极                                                          [52]
                                                               系。NARAYANASAMY 等         采用浇铸法制备了金属

                 以金属/金属氧化物为涂层材料对电极进行改                          盐掺杂的块状改性石墨聚酯复合阴极（MS-GPCES），
            性，提高了细菌细胞的黏附性、导电性、底物氧化                             其中，以 Ni-GPCES 作为阴极、石墨块为阳极 MFC
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            能力、氧还原反应速率，降低了欧姆损耗，从而改                             的功率密度最高为(1575±223.26) µW/m ，脱色率同
            善 MFC 的性能      [49] 。近年来，研究较为广泛的物质                 时提高 89%±1.41%。QIAN 等       [34] 采用原位生长法和
            主要包括 Cu、Fe、Ru、Pd、Mn、Ni、Rh 单质及其                     溶胶-凝胶法在活性炭上制备了 MnO 2 /TiO 2 /g-C 3 N 4
            氧化物等。                                              阴极催化剂，将其应用于 MFC 反应器系统，可以去
            3.1   金属/金属氧化物修饰阳极强化 MFC 产电及有                      除尼龙生产过程中的有机酸废水，其 COD 去除率为
                 机污染物降解                                        98%，比活性炭阴极系统提高了 36.83%，并产生
                                                                            3
                 金属纳米粒子及金属氧化物在电子传输过程中                          1176.47 mW/m 的功率密度。具有尖晶石结构的双
            可作为传输中间体，并且具备较多的可选择性，是                             金属或三金属氧化物由于其可变价态和氧化还原稳
            修饰阳极表面的有效催化剂              [50] 。SEKAR 等 [31] 以白    定性，对于 ORR 表现出优异的催化活性。DAS 等                 [36]
            曲霉植物中的化合物为原料，合成了 Cu 掺杂 FeO                         采用简单的溶胶-凝胶自燃烧法合成了 Co、Zn 双金
            纳米粒子碳纸阳极，利用纸片扩散法检测了该材料                             属质量比为 1∶1 的 Co 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4 高活性表面改性
            的生物兼容性。结果表明，纳米粒子涂层电极有利                             铁氧体，循环伏安法和电化学阻抗谱测试表明，该
            于微生物的生长，提高了 MFC 的性能，将其用于乳                          电极具有良好的还原电流响应和较小的电荷转移电
                                                                                                  2
            品废水的处理，COD 去除率为 75%，是未改性碳纸                         阻，输出的功率密度为(176.9±4.2) mW/m ，在阳极生
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            阳极 MFC 的 1.2 倍，并输出 161.5 mW/m 的功率密                 物膜逐渐成熟并达到稳定后，MFC-Co 0.5Zn 0.5Fe 2O 4 的
            度。QIU 等    [32] 制备了 Ru/Fe 改性阳极并用于评估                COD 去除率为 87%±2%，高于 MFC-Pt/C。
            MFC 对双氯芬酸（DCF）的降解性能及产电性能，                              在无需外加电源条件下，利用 MFC 产电驱动电
            Ru/Fe-MFC 对 DCF 降解率最高可达 75.59%，经过 5                芬顿反应发生并且原位产生芬顿试剂，可将废水中
            次循环后，DCF 去除率仍可达到 69%以上，功率密                         的有机物氧化成低毒或无毒化合物，最终生成 H 2 O
            度是 CF-MFC 的 2.21 倍，具有良好的稳定性及可重                     和 CO 2 ，这是处理有机废水的一种有效办法                [53-54] 。
            复性。OMAR 等      [33] 采用电沉积法将 Fe/Fe 2 O 3 纳米粒        XU 等 [55] 通过利用 Fe@Fe 2 O 3 /活性炭毡（ACF）阴极，
            子分别沉积在 CF、CC 及 Gr 表面，考察其发电及污                       构建了 MFC 与电芬顿耦合系统（图 3），电子和质
            水处理性能，经修饰过的阳极表面亲水性提高，微                             子分别通过外电路和质子交换膜从阳极室转移到阴
                                                                                    2+
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            生物的附着力增强，电子传递阻力降低，其中，                              极室，Fe 被还原为 Fe ，O 2 通过二电子反应被还
                                                                                   2+
            Fe/Fe 2 O 3 -CF 阳极性能最优，功率密度较修饰前提高                  原生成 H 2 O 2 ，最终 Fe 与 H 2 O 2 反应生成具有较强
            了 3.8 倍，COD 去除率达 88.5%。QUAN 等           [35] 使用    氧化能力的•OH，用于降解养猪场废水和罗丹明 B
                                                                                                 +
            钯纳米粒子（PdNPs）修饰阳极电极，用于偶氮染                           （RhB）。24 h 后，阳极中氨氮（NH 4 -N）、5 日生
            料废水的降解。结果表明，PdNPs 修饰阳极可降低                          化需氧量（BOD 5 ）、COD 和总有机碳（TOC）去除
            电荷转移电阻，富集更多的微生物，对伊文思蓝                              率分别为 70.3%±2.6%、85.2%±3.3%、75.1%±3.1%
            （EB）的脱色率为 98%，COD 去除率最高达 93.8%，                    和 60.5%±2.8%。在 RhB 质量浓度为 10 mg/L、外阻
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            并且输出 499 mW/m 的功率密度。NANDY 等               [51] 将   为 120 Ω、空气流量为 0.3 L/min、pH = 3 的条件下，
            MnO 2 与碳粉混合涂覆于 CF 表面，与未改性阳极相                       阴极对 RhB 的去除率 为 95.0%±3.5%，并输出
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            比，原油中有机物的去除率及产生的功率密度分别                             16.7 W/m 的功率密度。LI 等         [56] 制备了一种新型
            提高了 1.4 倍和 1.2 倍。上述改性阳极在导电性、亲                      Fe-Mn/石墨毡（Fe-Mn/GF）复合阴极，研究其生物
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