Page 48 - 《精细化工》2022年第8期

·1548· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

糖、可溶性有机物等）为营养源，在微生物的生长 仅增加了比表面积而且保证了 Fe 3 C 粒子在产电微
和代谢过程中会产生电子、二氧化碳、质子，阳极 生物和阳极之间有丰富的电荷转移位点。XU 等 [26]
通过纳米线、外膜细胞色素或氧化还原中间体来接 采用简单的水热方法制备了新型 MOFs：MIL-53，
受电子；（2）电子通过外部电路从阳极传递至阴极 同样地，MIL-53 具有大的比表面积，促进了细菌在
室；（3）质子穿过分隔器（质子交换膜或盐桥）转 阳极表面的黏附。（3）改进制备工艺也能够提高材
移到阴极室；（4）处于氧化态的物质（例如 O 2 ）与 料的比表面积。例如，采用传统的静电纺丝制备碳
阳极传递过来的质子和电子结合，发生氧还原反应 纳米纤维（CNFs）的步骤是静电纺丝结合热稳定化、
被还原生成水。电子的定向迁移能够实现 MFC 电能 炭化工艺；GO 等 [27] 发现，采用静电纺丝结合红外
的不断输出 [1,17] 。 激光诱导炭化来生产碳纳米织物能够产生更高的比
表面积，并且与传统的热炭化相比，激光炭化具有
2 影响阳极材料性能的因素 能耗小、时间短、可通过改变激光强度和辐照时间

轻松控制炭化条件的优势。
阳极是接收电子和形成生物膜的重要场所，选
2.2 孔结构
择合适的阳极材料对 MFC 产电与降解污染物性能
孔结构是指材料的孔隙率、孔径分布、平均孔
的提高具有重要意义。影响阳极材料性能的因素有 径等几何参数。
[3]
很多，如比表面积、孔隙率、表面官能团等 。
JIANG 等 [28] 认为，大孔（孔径>50 nm）材料可
2.1 比表面积
以增加细菌的负载能力，从而产生高的功率密度。
研究表明，大的阳极比表面积有利于实现高的
目前，已有许多三维多孔阳极材料应用于 MFC，并
功率密度。理想情况下，更多细菌的黏附有助于提 促进了微生物在阳极材料上的附着和繁殖，提高了
高 EET [18] 。KARRA 等 [19] 探究了不同比表面积和孔
功率密度，但它们的孔径尚未确定。如果阳极材料
径分布的碳布（CC）、颗粒活性炭（GAC）、活性炭
能够提供合适的均匀孔隙，将大大改善微生物的附
纳米纤维（ACNF）对阳极性能的影响，结果表明，
2
具有更高比表面积的 ACNF（1152 m /g，大孔）生 着能力，提高 MFC 产电性能。
[29]
2
物膜的黏附程度显著高于 GAC（830 m /g，介孔）和 在此背景下，HUNG 等 探究了具有不同均匀
2
CC（0.11 m /g，大孔），ACNF 功率密度为（3.50± 孔径和大孔数量的咖啡废料衍生活性炭对微生物黏
3
3
0.46）W/m ，高于 GAC〔（3.09±0.33）W/m 〕和 CC 附性能的影响。他们发现，大孔隙能够显著提高材
3
〔（1.10±0.21）W/m 〕。LOU 等 [20] 通过将类石墨烯- 料的比表面积和电化学性能，咖啡废料衍生活性炭
中许多的大孔和中/微孔能够为细菌附着提供合适的
二硫化钼纳米花修饰在 CC 上显著增加了 CC 的比表
表面粗糙度。CHEN 等 [30] 成功制备了孔径约为 400
面积，硫化物也提升了 CC 材料的生物相容性。通
nm 的多孔碳材料，以尺寸约为 200 nm 的大肠杆菌
过对阳极上电化学活性生物膜进行 SEM 表征，结果
对 MFC 阳极电池的性能进行评价，结果发现，MFC
也证实了该电极上附着的微生物数量比未修饰的
2
的最大功率密度达到 1606 mW/m ，在多孔碳材料上
CC 电极更多，生物膜更厚。并且，它的功率密度为
2
2
960.4 mW/m ，高于 CC 的 566.1 mW/m 。 不含含氧基团的情况下，这种活性的提高归因于碳
材料均匀的多孔结构。
提高阳极材料比表面积的方法主要为：（1）使
2.3 表面官能团
用三维阳极，三维阳极将为微生物提供更大的比表
除了表面形态影响生物膜的形成外，阳极材料
面积，从而提高阳极材料性能。石墨刷状电极、颗
的生物相容性与其表面性质密切相关。一些学者认
粒活性炭、网状玻璃炭等已广泛应用为 MFC 的三维
电极材料 [21-23] 。（2）利用纳米材料、金属有机框架 为，碳表面的含氧官能团能够通过碳和电解质之间
的物理接触来吸附细菌 [31-32] 。
材料对阳极进行改性。纳米材料、金属有机框架材
SONU 等 [33] 探究了不同的化学处理（H 2 O 2 、
料自身比表面积大、孔隙结构丰富和孔结构可调节
的优良特性为提高阳极的比表面积提供了更多的优 NaOH 和 FeCl 3 ）对炭化玉米芯阳极 MFC 性能的影
势和可能性。例如，KIM 等 [24] 制备了具有高比表面 响，发现经 H 2 O 2 处理后的炭化玉米芯具有丰富的含
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积的 SnO 2 纳米结构（122 m /g），通过 SnO 2 对传统 氧官能团，并且与未处理的阳极相比，内阻降低了
阳极材料进行改性提高了比表面积，更有利于微生 91%，功率密度提高了 89%，COD 去除率提高了
物附着。HU 等 [25] 通过在碳布纤维上组装 2D Zn-Fe- 12%。可见，通过 H 2 O 2 处理能够增加材料的含氧官
MOF 阵列，然后利用炭化工艺和对单质锌、游离铁 能团数量，这可作为一种通用方法。类似地，ZHAO
的酸刻蚀，使高度分散的纳米 Fe 3 C 颗粒分散在了氮 等 [34] 用不同体积比的 HNO 3 和 H 2 O 2 混合溶液对碳毡
掺杂碳阵列上（Fe 3 C@2D-NC@CC）。MOF 改性不 进行了热处理，发现处理后的碳毡阳极上的含氧官