Page 47 - 《精细化工》2022年第8期

第 8 期 张 敏，等: 微生物燃料电池纳米纤维基阳极材料的研究进展 ·1547·

能源是人类赖以生存和发展的重要资源，然而 MFC 的发电性能。
随着全球经济的快速发展，能源短缺和环境污染已 基于此，本文介绍了影响阳极材料性能的因素，
成为主要的全球性问题。当前使用的矿物燃料，无 选取了应用最为广泛的碳基纳米纤维、导电聚合物
论是石油还是煤矿，在燃烧后都会产生大量污染空 基纳米纤维和其他纳米纤维进行介绍，综述了近年
气的温室气体，并且它们还面临着储量短缺的问题。 来纳米纤维基阳极材料在 MFC 中的应用进展，并展
因此，人们对清洁能源的需求越来越大。 望了未来阳极材料以及 MFC 技术的发展方向，以期
微生物燃料电池（MFC）是一种非常有前途的 为实现 MFC 的实际应用提供理论指导。
环境友好型电化学装置，它可以利用产电微生物作
为催化剂，在降解废水中有机物的过程中产生电能， 1 MFC 技术简介
是将环境治理和能源回收紧密联系的重要技术， 利用微生物发电的想法可追溯到 20 世纪早期。
MFC 因其独特的价值而受到人们的广泛关注 [1-3] 。
1911 年，POTTER [12] 首次发现一些细菌或者酵母菌
近些年，尽管 MFC 的输出功率和降解污染物能力都
在代谢有机物的过程中会产生电子，这一发现推动
有了明显的提高，但与其他能源相比，MFC 的输出
了早期生物燃料电池的研究。1931 年，COHEN [13]
功率密度仍然相对较低，这是制约 MFC 技术大规模
应用的主要原因 [1,4] 。影响 MFC 输出功率密度的因素 将若干个 MFC 串联产生了 35 V 的电压和 0.2 mA 的
电流，由此推动了 MFC 的进一步发展。通过电子中
有很多，包括电极材料（阳极和阴极）、细胞外电子
介体的间接电子传递一度被认为是微生物与电极间
转移（EET）、阳极微生物、有机基质的降解率等。
的电子传递机制。直到 1999 年，KIM 等 [14] 发现一
特别是阳极材料影响微生物的繁殖和产电微生物与
些产电菌株可以与电极进行直接电子传递，这一发
电极表面的 EET，因此，设计和制造高效的阳极材料
对提高 MFC 的产电性能起着至关重要的作用 [3-5] 。 现对于推动 EET 机制及 MFC 产电具有里程碑意义。
与其他可再生能源技术相比，MFC 技术具有能
从机理方面，提高产电微生物的附着量和优化
源转换效率高、生物相容性强的优势，这些优势有
EET 工艺是改善 MFC 产电与降解污染物性能的关 [15]
[6]
键 。EET 机制分为两种，一种是直接电子转移，直 助于 MFC 的实际应用 。通常，MFC 的构型分为
单室、双室和圆筒 3 种类型。在阳极的研究中，与
接电子转移需要微生物细胞与电极表面之间物理相
单室型 MFC 相比，双室型 MFC 可以降低来自阴极
连，通过纳米线或外膜细胞色素传递电子；另一种
的氧气进入阳极的负面影响，而圆筒形 MFC 的水力
为间接电子传递，它需要氧化还原中间体的参与，
如核黄素、亚甲基蓝、绿脓青素等 [3,7-8] 。传统的碳 循环条件优于方形双室 MFC，但其在阴极的使用较
多，所以双室 MFC 是阳极研究中更常用的构型 [16] 。
基材料（如碳布、碳刷、碳网、碳毡、粒状活性炭
图 1 为一个典型的双室型 MFC，它通常由可使微
等）具有化学稳定性好和成本相对较低的优点，但
生物繁殖的阳极室、发生还原反应的阴极室、阴阳极
普遍存在生物相容性较差的缺点，通常表现出较低
室之间的分隔器（质子交换膜或盐桥）和外电路组成。
的 EET 效率；大多数的金属基材料（如不锈钢板、

银片、镍片、铜片等）导电性高、力学性能良好，
[9]
但其必须经过处理才能提高微生物的负载量 。
随着纳米技术的发展，利用纳米纤维作为高效
阳极的研究备受关注。与碳基和金属基材料相比，
纳米纤维作为一维尺度的纳米材料其形貌呈现网状
结构，具有更高的孔隙率和比表面积，这使得微生
物易于在纳米纤维表面形成有效的生物膜，促进了
微生物的生存和传质。除了纳米纤维的形态结构，
EET 效率还依赖于其表面化学性质 [10] 。具有高电导
率和电化学活性的纳米纤维能够显著提升 EET 速
率，从而获得高的产电和污染物降解性能。例如：
SINGH 等 [11] 以镍纳米粒子分散的碳微纳米纤维网
作为 MFC 的高效电极材料时，获得了 1145 mW/m 2 图 1 双室微生物燃料电池工作原理图
Fig. 1 Working principle diagram of dual-chamber MFC
的高功率密度。可见，纳米纤维因其高比表面积、
微生物易附着等优点而被应用为 MFC 的新型阳极 MFC 的产电可分为以下几个过程：（1）阳极室
材料，以期能够实现反应器的长期稳定运行和提高 内有电化学活性的微生物以废水中的有机物（葡萄