Page 49 - 《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 ·1549·

能团数量增加，含氧官能团的增加有利于细菌的吸 羟基化多壁碳纳米管（MWCNT-OH）对 MFC 性能
附和生长。不同的体积比会导致含氧官能团的种类 的影响。结果表明，从化学需氧量（COD）、悬浮物
和数量不同，当 HNO 3 和 H 2 O 2 体积比为 1∶1 时， （SS）的去除和 MFC 产电方面来说，在 Poreflon 膜
MFC 具有启动时间短、电荷转移电阻（R ct ）低、功 上过滤的 MWCNT（MWCNT-OH、MWCNT-COOH）
率密度较高的优势。 比 SWCNT-COOH 和碳布的效果更好。
以上这些研究进一步证明了比表面积、孔结构 为了阐明特定纳米结构对 MFC 性能的影响，
和表面官能团对阳极材料性能的影响。高的比表面 ZHAO 等 [43] 利用垂直碳纳米管（VCNTs）、聚吡咯（PPy）
积、合适均匀的孔隙和含氧官能团数量都有助于提 和高导电性中间相沥青碳纤维（Pitch-CF）开发了一种
高产电微生物在阳极上的负载能力，促进生物膜的 新颖的阳极材料——VCNTs/PPy-Pitch-CF 复合物改
形成和阳极与产电微生物之间的电子转移。 性的碳纤维，其生长过程和 EET 转移机制如图 2a
所示。由图 2b 可见，VCNTs 以尖端生长模式在碳
3 纳米纤维基阳极材料 毡上生长，即催化剂颗粒在 VCNTs 的顶部生长。另

外，PPy 的加入避免了 VCNTs 与产电微生物之间的
目前，应用于 MFC 阳极电极的纳米纤维材料较
直接接触。图 2c 显示了 VCNTs 与产电微生物的纳
多，根据制备方法区分为物理法和化学法，其中物
理法包括静电纺丝法 [35] 、气相生长法 [36] 、模板合成 米线具有有效的相互作用。VCNTs-PPy-Pitch-CF 阳
法 [37] 和溶液吹丝法 [38] 等，化学法包括化学氧化法 [39] 、 极表现出良好的生物相容性（氮/碳物质的量比为
原位聚合法 [40] 。本文主要从碳基纳米纤维、导电聚 0.2）、高且稳定的输出电压〔(0.6±0.01) V〕、高的输
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合物基纳米纤维以及其他纳米纤维电极进行分析， 出功率密度（1880 mW/m ），但是与 PPy-Pitch-CF
为 MFC 阳极在 EET、产电性能方面的提升开辟了 电极相比存在启动时间长（14.5 d）的弊端。另外，由
新途径。 图 2d 极化曲线线性部分的斜率可计算得 VCNTs-
3.1 碳基纳米纤维电极 PPy-Pitch-CF 的阳极内阻为 108.43 Ω，显著小于其
3.1.1 碳纳米管基阳极 他阳极。该研究的创新点如下：（1）首次将 VCNTs
碳纳米管（CNTs）作为一种有前途的电极材料， 与 PPy 进行结合，并用于阳极材料；（2）垂直生长
已被用作 MFC 的阳极电极修饰剂，它具有纳米级尺 在沥青碳纤维上的 VCNTs 可以将电子快速地转移到
寸、耐腐蚀性、高比表面积和电化学稳定性等优良 阳极表面（图 2a）；（3）解释了 VCNTs 和 PPy 的协同
特性 [41] 。THEPSUPARUNGSIKUL 等 [42] 探究了不同 增强机制，PPy 的加入可有效避免 VCNTs 和产电菌之
类型的 CNTs，即羧基化单壁碳纳米管（SWCNT- 间的直接接触，进一步增加阳极的正电荷和改善生
COOH）、羧基化多壁碳纳米管（MWCNT-COOH）和 物相容性，吸引更多的电流，增强生物发电能力 [44] 。

图 2 VCNTs 在 CF 上的生长示意图和 VCNTs-PPy-Pitch-CF 阳极的细胞外电子转移机制（a）；VCNTs 生长过程中的 SEM
图（b、c），其中，箭头表示微生物纳米线；4 种不同 MFC 的产电性能（d） [43]
Fig. 2 Schematic diagram of growth of VCNTs on CF, and EET mechanism for the VCNTs-PPy-Pitch-CF anode (a); SEM images
of VCNTs growth (b,c), wherein, the arrow indicates the microbail nanowires; Power generation performances of four
different MFC (d) [43]

利用金属氧化物对 CNTs 进行改性也是提高电极 时通常存在导电性低的问题，因此，金属氧化物通常
材料性能的一种有效途径。金属氧化物作为电极应用 与其他导电材料复合使用。WANG 等 [45] 利用气相沉积