Page 50 - 《精细化工》2022年第8期
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·1550·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 39 卷

                                                                                                   2
            技术和二氧化锡（SnO 2）在碳毡（CF）上制备了 SnO 2-                   问题，同时具有功率密度高（1.13 W/m ）、库仑效
            CNTs/CF 复合电极材料。经 SnO 2 改性后阳极电极的                    率高（44.9%）、启动时间较短（6 d）的优势。类似
            电导率和对 COD 的去除率均有所提高，在最适宜的温                         地，KOU 等   [47] 通过混合和共过滤的方法开发了一种
            度、底物条件下，MFC 的峰值输出电压可达到 563 mV，                     细菌-CNTs 复合材料，成功地在 3D CNTs 内部嵌入
            COD 的去除率达到 78%，但该阳极材料存在运行不稳                        了大量的产电微生物。当细菌-CNTs 作为 MFC 的阳极
                                                                                   2
                                                                                                           3
            定、气相沉积法复杂且昂贵的问题。在此基础上，LIU                          材料时，R ct 为 1.65 Ω/cm ，最大功率密度为 34 W/m ，
            等 [46] 采用导电水凝胶技术将 CNTs 和壳聚糖电沉积在                    形成生物膜的时间短（10 min），且能立即达到最大
            碳纸电极上制备了一种导电 CNTs 水凝胶。该阳极不                         电流，但是该项工作的实验方法及步骤较为繁琐，
            需要使用化学气相沉积等复杂设备，并且具有电化学                            未来还需进一步简化。
            性能优良（R ct 2 Ω）、启动时间短（4 d）、发电稳定、                        以上研究可以发现，CNTs 纳米纤维基电极提高
            库仑效率较高（32%）的优势，这可能是因为这项工                           MFC 阳极性能的研究可以分为两个方面：一是在电
            作制备的 CNTs 水凝胶更接近酶的氧化还原中心，加                         极材料的改进方面，通过研究不同类型和不同形态
            速了 EET。可见，新型材料的开发设计对提高 MFC                         的 CNTs、利用金属氧化物改性、采用新型技术方法
            的产电性能具有重要意义，未来仍需进一步研制制备                            提高了阳极的导电率和生物相容性；二是在改善生
            步骤简单、成本低廉的新型阳极材料。                                  物膜过厚导致的基质扩散和电子转移受限问题方
                 以上对 CNTs 基阳极材料的改性都集中在电极                       面，将微生物引入材料内部，即在 CNTs 的内部插
            和生物膜的界面上，然而随着生物膜的生长，当生                             入了大量的微生物，这能够在最大限度提高微生物
            物膜厚度增加到数百微米时，会导致基质扩散和电                             与阳极之间的接触的同时，促进 EET，进一步提升
            子转移受限问题        [47-48] 。为解决上述问题，ZHANG              MFC 的产电性能。表 1 总结了碳基纳米纤维复合阳
            等 [48] 提出了一种将多壁碳纳米管（MWCNT）通过                       极材料的制备方法、MFC 构型和功率密度。通过与
            吸附结合过滤的方法与微生物组合形成有效的混合                             未改性阳极——碳布（CC）、沥青碳纤维（Pitch-CF）、
            生物膜的策略，制备了 AMB 阳极材料（活性炭+多                          碳毡（CF）、碳纸（CP）、活性炭（ACA）、石墨毡
            壁碳纳米管+生物膜，简称 AMB），解决了 MFC 长                        （GF）的功率密度进行比较，说明了改性碳基纳米
            时间运行导致的基质扩散慢、电子传递能力下降的                             纤维阳极在提升 MFC 功率密度方面具有显著优势。

                                    表 1  MFC 应用中碳基纳米纤维复合阳极材料及其相关性能
                     Table 1    Carbon nanofiber composites anode materials and their ralated properties for MFC applications
                   阳极材料                制备方法            反应器构型        功率密度         功率密度（对照阳极）          参考文献
                                                                                           2
             MWCNT-OH/CC        喷涂法                      单室      120.35 mW/m 2   (73±16)  mW/m (CC)    [42]
                                                                                          2
             VCNTs-PPy-Pitch-CF   化学气相沉积、原位聚合            单室      1880 mW/m 2     713.26 mW/m (Pitch-CF)  [43]
                                                                                       2
             SnO 2-CNTs/CF      热处理、化学气相沉积               双室      133.2 mW/m 2    45 mW/m  (CF)         [45]
                                                                                       2
             CNTs 水凝胶           电沉积                      双室      132 mW/m 2      75 mW/m (CP)          [46]
                                                                                        2
             AMB                吸附、过滤                    双室      1130 mW/m 2     710 mW/m (ACA)        [48]
                                                                                      3
             细菌-CNT             混合、共过滤                   双室      34 W/m 3        4.1 W/m  (CC)         [47]
                                                                                            3
             CNFs               静电纺丝、热处理、蒸汽活化            单室      (3.50±0.46)  W/m 3  (1.10±0.21)  W/m  (CC)   [19]
             氮掺杂碳纳米纤维           静电纺丝、热处理                 双室      (2153±11)  mW/m 2  (120.6±1.9) mW/m  (CF)   [49]
                                                                                              2
                                                                                            2
             CNTs/CNFs          静电纺丝、热处理、热压              双室      (362±20)  mW/m 2  (163±16)  mW/m  (CF)   [50]
                                                                                        2
             聚吡咯-碳纳米纤维/碳纳       静电纺丝、热处理、原位聚合             双室     598 mW/m 2      330 mW/m  (GF)        [51]
             米管(PPy-ACNF/CNT)

            3.1.2   碳纳米纤维基阳极                                   单、成本低、具有规模生产的能力和易于控制等特
                 碳纳米纤维（CNFs）具有导电性好、纤维互联、                       点而被人们广泛使用。利用静电纺丝法制备 CNFs
            比表面积较高、结晶取向度较高的优点。与碳布和                             的过程包括静电纺纳米纤维、稳定化（预氧化）和
            碳棒等传统电极相比，CNFs 具有更高的比表面积和                          炭化。稳定化的目的是改变其残留的炭结构，避免
            孔隙率    [52-53] 。另外，CNFs 的制备方法较多，包括静                在高温时石墨化       [58-59] 。然而，利用该法制备的 CNFs
            电纺丝法、化学气相沉积法、模板合成法等                     [54-57] 。  存在材料较脆、易断裂的问题，因此，通过活化以
            表 2 为 CNFs 的常见制备方法及特点。                             及与其他材料复合进行改性以改善其力学性能和提
                 在众多的制备方法中，静电纺丝法因其工艺简                          高 EET，是未来 CNFs 材料的研究热点。采用物理
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