Page 51 - 《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 ·1551·

活化（通入水蒸气、二氧化碳等气体）处理是提高 重要。MASSAGLIA 等 [64] 制备了氮掺杂静电纺碳纳
电极材料电化学性能的一种有效的方法 [60] 。KARRA 米纤维（N-CNFs），同时探究了炭化温度分别为 600
等 [19] 首次通过静电纺丝聚丙烯腈（PAN）前驱体与 和 900 ℃时 CNFs 不同的电荷分布，结果表明，600
热处理、蒸汽活化相结合的方法制备了 CNFs。蒸汽 比900 ℃炭化制备的N-CNFs具有更高的吡啶氮原子
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活化为 CNFs 带来了高的比表面积（1159 m /g），较 个数百分比，功率密度为（2153±11.6）mW/m 。从
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高的功率密度〔（1.10±0.21）W/m 〕和高的 COD 去 机理角度分析，因为具有五价电子的氮原子可以很
除率（85%±4%），表明经活化后的 CNFs 能够更好 容易地移动带中性电荷的相邻碳原子并产生带正电
地传递电子和降解污染物。 荷的位置，这有利于各种氧化还原反应。
鉴于碳质材料、导电聚合物等电极材料都在某些
表 2 制备 CNFs 的方法及特点
Table 2 Preparation methods and characteristics of CNFs 方面展现出各自良好的性能。目前也有许多研究致力
方法 特点 文献 于利用碳质材料、导电聚合物及其复合材料对碳纳米
化学气相沉积法 设备简单、操作方便、可通过有效控制 [54] 纤维材料进行改性以促进产电微生物在阳极表面的附
反应参数来调节合成的碳纤维的直径、 着和产电微生物与阳极之间的 EET，提高 MFC 性能。
纤维轴向和结晶度，但产品纯度低并且 碳质材料与 CNFs 复合作为电极一般是通过改变
有些副产品具有危险性 [60]
纤维的微观结构来增强 CNFs 基电极的电化学性能 。
模板合成法 利用多孔衬底或纳米线进行模板合成， [55] 如上节所述，CNTs 是碳质材料的典型代表 [64] 。CAI
具有大的比表面积、分级孔隙，可以很 [50]
好地控制纳米材料的形状和大小 等 以 PAN 和 MWCNT-COOH 为前驱体制备了
水热合成法 操作简单、成本低，能够合成具有特殊 [56] CNTs/CNFs 复合材料，其制备流程与产电性能如图
形貌和性能的纳米晶体，但必须在受控 3 所示。PAN 和不同添加量的 MWCNT-COOH 经过
条件下进行
静电纺丝、加压、热稳定化、炭化方法制备了 CNTs/
静电纺丝法 易于建造和操作，直径分布统一，易于 [57] CNFs 阳极。然后，通过电化学测试发现 CNTs 添加
实现大规模生产，适合工业应用，但制 量为 2%（质量分数）时，电极（2% CNTs/CNFs）
备过程中需要高电压和高温炭化
性能最优。最后，利用功率密度与极化曲线、循环
改善 CNFs 电极材料性能的另一种有效途径是 伏安曲线和 SEM 表征了 MFC 的性能。结果表明，
对 CNFs 进行杂原子掺杂，这可以大大提高电催化 该电极具有良好的电催化活性和生物相容性。
活性。目前，已有关于杂原子掺杂电极材料的研究， CNTs/CNFs 阳极解决了 CNFs 存在的易断裂问题，
主要集中在 N 原子掺杂上。研究表明，采用酸浸 [61] 、 同时具有 R ct 小（1.99 Ω）、最大输出电压较高（0.5 V）
氨处理 [62] 、导电聚合物涂层 [63] 等表面改性工艺使碳 且持续时间较长、COD 去除率高（>95%）、库仑效
基电极进行少量的 N 掺杂，这对增强阳极性能至关 率较高（38.6%）的优势。

图 3 CNTs/CNFs 阳极制备流程示意图与产电性能 [50]
Fig. 3 Preparation process and electrical performances of CNTs/CNFs anode [50]