微生物燃料电池不同阳极材料研究进展

【摘 要】本文介绍了微生物燃料电池的阳极材料。分别介绍了各种碳基和金属基阳极材料的特点和应用情况。最后展望了微生物燃料电池未来的发展方向。

【关键词】微生物燃料电池；阳极材料；研究进展

中图分类号： TM911.45 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0177-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.080

【Abstract】This article describes the anode material for microbial fuel cells. The characteristics and applications of various carbon-based and metal-based anode materials were introduced. Finally， we look forward to the future development direction of microbial fuel cells.

【Key words】Microbial fuel cell；Anode materials；Research progress

微生物燃料电池是一种将有机物的化学能直接转化为电能的装置。[1-4]原理是通过微生物群落的催化作用，将阳极室的有机废弃物在无氧条件下催化氧化，从而获得连续的电流输出。[5]影响 MFC 产电性能的因素主要有[6-8]：有机物底物降解速率、电子转移速率、装置内阻、质子在溶液中的转移速率、电极材料性能以及装置的运行条件等。

1 微生物燃料电池的组成

微生物燃料电池主要由三部分组成：离子交换膜，阳极材料，阴极催化剂。离子交换膜通过直接影响阳极室质子传递和两极室间不良物质的扩散，进而影响电池的产电性能，虽然不是MFC中必要的组成部分，但缺失隔膜的MFC，阳极微生物活性明显受限。阳极材料是MFC的重要关键部分，微生物附着在阳极上，释放的电子也靠阳极收集。所以，诸多研究都是围绕着阳极开展，如修饰阳极材料以提高产电性能。

2 阳极电极材料特性

MFC的核心部分阳极材料，作为产电微生物附着的载体，不仅影响产电微生物的附着量，还影响电子从微生物细胞传递至电极表面的效率。因此，阳极材料的选择对提高 MFC 的产电性能，降低 MFC 的成本有着至关重要的影响。

用作阳极电极的材料必须具备以下几个重要的特性：（1）导电性强；（2）耐腐蚀性强；（3）机械强度高；（4）表面积大；（5）生物相容性好；（6）环境友好性；（7）成本低廉。碳质和金属基材料符合上述所有特征，可作为阳极的主体。

3 碳基和金属基阳极电极材料

碳布是微生物燃料电池阳极常使用的一种碳质材料。这种材料具有表面积大，孔隙率高，导电性强，可塑性好，机械强度高，具有复杂的三维结构。缺点则是成本较高。碳刷是一种基于碳纤维扭曲的钛芯的材料。其表面积相当大，具有最佳面积与体积比。中央钛金属材料保证了碳刷的强导电性，但也同时增加了材料成本。碳刷被大量用作阳极，一直以来的研究都在寻找降低其整体成本。碳棒不常用于微生物燃料电池阳极，主要用作电流收集器，因为它表面积小。在微生物燃料电池应用上，它的成本是相当低廉的。碳网也是一种碳材料，其价格相对便宜，同时电导率也较差。主要问题与机械强度低有关，可能导致高流量条件下的低耐用性。碳网也可以折叠成三维电极，但其孔隙率较低。碳面罩是一种相对廉价的碳质材料。高导电、高孔隙度。高孔隙度对于细菌进入非常重要，可以在所有可用的材料位点繁殖细菌。单层碳面纱相当脆弱，但由于材料是多功能的，它可以折叠形成坚固多孔的三维电极。复写纸是一种平面碳质材料。多孔但昂贵，易碎，主要是实验室规模的使用。碳毡是一种常用于MFC阳极的碳素材料。其特点是高孔隙率、高电性。电导率。类似碳面纱，多孔允许细菌穿透结构并繁殖微生物进入内部。成本相对较低，机械性较差。强度取决于材料的厚度。颗粒活性炭（GAC）由于其良好的生物相容性和低成本，也常用作阳极电极。GAC材料是多孔的，因此导电性差。GAC不能单独作为阳极，主要用作填料，以增加导电性，缺点是可能導致流式MFC装置中出现堵塞情况。虽然GAC的表面积很大，由于可用的表面积主要在纳米尺度，所以细菌可附着的表面积很小，通常，GAC与碳棒作为电流收集器。由于GAC具有非常高的表面积，可以吸附有机污染物或重金属。此属性可用于进一步净化废水或吸附重金属。颗粒石墨性质与GAC特性相似，但因为缺乏活化，表面积低的多。因此，粒状石墨具有更高的导电率。粒状石墨也用作填料，而不是单独的阳极。碳化纸板也是一种三维材料，由单壁瓦楞纸板回收而成。由两层衬层之间插入的凹槽层制成的纸张在惰性气体中进行1小时的热处理（1000℃）。然后将获得的碳化纸板连接到刚性支撑件上。该材料成本非常低，具有高导电率和高孔隙率。石墨板（或薄板）是一种非常简单的电极，它保证了高导电性和相对低廉的成本。石墨板的表面积和表面/体积比低，从而导致比多孔或结构化材料低的输出水平。由于其高的机械强度，它经常被用来作为改性结构的支撑物。网状玻璃碳的特点是导电性强，有较大的孔隙率允许生物膜穿过整个结构并在整个电极上繁殖。缺点是，这种材料非常易碎，而且用于微生物燃料电池贵。其他碳材料如静电碳纤维活性炭纳米纤维和碳化植物茎也被用作阳极电极。[10]

一些金属材料也可作为MFCs阳极电极。其中，不锈钢（板、网，泡沫或洗涤器）因为有导电强，坚固，廉价等优点常被使用。最近，也成功的研究了其他金属，如铜，镍，银，金和钛可作为MFC阳极电极材料。但铜镍离子从电极释放出来，可能对微生物有毒，这对生物膜的形成有负面影响。

4 结语与展望

微生物燃料电池MFC是一项新兴科学技术，该技术可以在各领域应用，尤其是在环保能源领域，该技术作为一项清洁能源，同时解决了环境污染和能源匮乏的问题。为了将这一技术实际应用，当务之急是研究如何提高其产电能力，如阳极修饰改性，增大微生物附着，选取产电微生物菌群等，以加快推进MFC技术的实际应用。寻找和开发新型的金属或金属化合物修饰阳极基底材料也是今后该领域的研究方向，前景广阔。[9-10]

【参考文献】

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