Page 54 - 《精细化工》2022年第8期
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·1554·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 39 卷

                 该研究的亮点在于：（1）首次将 α-Fe 2 O 3 纳米                     除了 α-Fe 2 O 3 纳米纤维外，DAS 等      [74] 通过静电
            纤维与 CNTs 结合，在改善了电极材料导电性的同                          纺丝结合单步聚合技术，制备了聚苯胺/聚乳酸纳米
            时也增加了产电微生物在阳极上的黏附；（2）研究                            纤维（PANI/PLA）电极，与原始形态相比，PANI/PLA
            了生物膜形成前后阳极的电化学活性，证明了 CNTs/                         阳极具有更好的热稳定性和较低的疏水性，该复合
                                                                                             2
            α-Fe 2 O 3 /CC 作为 MFC 阳极的积极作用；（3）具有                阳极电极的功率密度为 921 mW/m 。表 3 讨论了导
            广泛的适用性，为提高阳极性能开辟了一条新途径；                            电聚合物基纳米纤维和其他纳米纤维阳极复合材料
            （4）对阳极电子传递机理有了初步的解释，认为是                            的制备方法、MFC 结构和功率密度，并与未改性聚
            α-Fe 2O 3 纳米纤维的传导带边缘接近细胞外膜 c 型细                    吡咯纳米纤维与 PET 非织造布（PPy/PET）、CC、
            胞色素的中点电位，从而促进了电子传递速率，这有                            GF 阳极的功率密度进行了比较，说明了纳米纤维改
            助于支撑未来 MFC 的优化调控。                                  性阳极在提升 MFC 功率密度方面具有显著优势。

                          表 3  MFC 应用中导电聚合物基纳米纤维、其他纳米纤维复合阳极材料及其相关性能
            Table 3    Conductive polymer-based nanofibers and other nanofibers composites anode materials and their ralated properties
                    for MFC applications
                                                                                                 2
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                    阳极材料                 制备方法            反应器构型      功率密度/(mW/m )     对照阳极/(mW/m )    参考文献
              PPy/NFs/PET          喷涂、原位聚合                 双室            2420         144 (PPy/PET)    [39]
              Vertically aligned-PANI/CC   原位聚合            双室             853         170 (CC)         [69]
              CNTs/α-Fe 2O 3/CC    静电纺丝、热处理、涂覆             双室            1952         432 (CC)         [73]
              PANI/PLA             静电纺丝                    双室             921         113 (GF)         [74]

                 综上所述，在电极的制备方面，碳基纳米纤维、                         将助力中国不断接近“碳达峰、碳中和”的目标。
            导电聚合物基纳米纤维与其他纳米纤维材料均能够                                 经过几十年的发展，MFC 在废水处理方面的研
            降低阳极电极的 R ct ，提高阳极的微生物负载量和                         究已取得长足进展。然而，由于产电微生物与阳极
            EET，全面提升 MFC 的产电性能。综合考虑性能及                         表面之间缓慢的 EET，又限制了其大规模应用。阳
            成本等因素，碳纳米管基材料具有管壁缺陷特性，                             极材料和结构直接影响阳极产电微生物的附着量和
            还含有丰富含氧官能团，可促进电子转移，碳纳米                             EET，因此，选择合适的阳极材料对提高 MFC 的产
            管的复合物通常具有良好的导电性，但改性方法较                             电性能和稳定性至关重要。目前，已有研究人员利
            为复杂，并且耗时长；碳纳米纤维基材料具有可调                             用碳基纳米纤维、导电聚合物基纳米纤维和其他纳
            节的直径和形态，导电性优良，比表面积大，可作                             米纤维基电极全面提高了 MFC 的产电性能。但随着
            为自支撑电极，但其易断裂、制备流程较为复杂的                             对纳米纤维材料的研究，他们发现其仍然存在诸多
            问题有待改善；导电聚合物基纳米纤维材料由于制                             不足，如制备过程复杂、电极稳定性较差、成本高
            备流程简单、生物相容性好等优势可作为理想的阳                             等弊端。基于此，为进一步推进 MFC 在各领域的发
            极材料，但其稳定性问题还需要进一步优化；其他                             展，可从以下几方面开展深入研究：
            纳米纤维基材料具有可结合静电纺丝技术与其他技                                （1）开发新型阳极材料。目前，研究中高效的
            术（涂覆、聚合、电沉积等）的创新性，但稳定性                             纳米纤维基阳极制备步骤繁琐、成本高昂，不适宜
            与可重复性问题还需进一步优化。因此，在提高                              MFC 的批量生产与使用，因此，开发新型廉价、具
            MFC 性能的基础上，寻求解决上述问题的方法以及                           有强电子传输能力的阳极材料以提高产电微生物附
            降低成本，在 MFC 领域将会有巨大的应用价值。                           着量，最大限度提升电子的传递速率，以及提高

            4   结束语与展望                                         MFC 的产电性能和稳定性是长期的研究方向。
                                                                  （2）深化电子传递机制方面的研究。目前，MFC
                 MFC 是一种环境友好型技术，它可以从废水中                        研究的很多机理尚不明确，包括产电微生物与非产
            提取能源，并用于污水处理厂的其他设施，减少了                             电微生物之间如何联系，它们之间是否具有协同或
            外部电能输入，是非常高效的清洁能源设施。另外，                            拮抗效应、产电微生物在各种耦合系统中的电子传
            可以利用 MFC 产氢和甲烷，可减少化石燃料的使                           递机制、对于废水中各类污染物的协同降解机制等。
            用。尽管微生物燃料电池阳极会产生二氧化碳，但                             只有彻底解决机理方面的困惑，才能更好地为 MFC
            这些产量与产生的能源相比可忽略。从藻类 MFC 角                          的优化调控提供理论支撑。
            度而言，使用光合微生物的 MFC 将能够在葡萄糖等                             （3）开发更有效的耦合系统并优化运行参数。
            单糖中固定足够数量的 CO 2 。因此，发展 MFC 技术                      MFC 技术与其他处理技术进行耦合，能够使 MFC
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