微生物燃料电池中高活性碳基阳极的研究文献综述

文献综述（或调研报告）：

当前，世界范围的能源危机和环境污染是制约人类文明发展的两大问题方面。一方面，化石燃料面临短缺。另一方面我国一些重点流域、海域水污染严重,许多地区主要污染物排放量超过环境容量,由有机污染物引起的水污染环境问题已经成为21 世纪影响人类生存与健康的重大问题^[1-3]。微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs) 作为一种可持续和环保的技术，在发电的同时，可以对废水进行处理，因此受到了广泛的关注^[4]。

尽管MFC在输出功率和效率方面的表现在不到十年的时间里已经大大增长，但与许多其他能源相比，较低的输出功率密度仍然是MFC的实际应用的瓶颈。MFC 的输出功率密度与很多因素有关，如有机基质的降解速率、从电活性细菌到电极表面的细胞外电子传递速率、装置的回路电阻、外部操作条件等等。其中，胞外电子转移主要受电极材料性质的影响，因此这些性质对MFC的整体性能有重要影响^[5]。不同的电极材料可以表现出非常多样的物理和化学性质（例如，生物粘附性质、比表面积、表面功能性、多孔结构、电导率和稳定性），这反过来又影响微生物粘附量和电极负载密度，电子转移速率以及表面上的代谢反应的速率。因此合适的电极材料的开发是改善功率密度和使MFC能够实际应用的有前途的工具。

微生物燃料电池的工作原理如图1所示^[6-7]，可以简单描述为：(1)底物于阳极室在微生物催化作用下被氧化，产生电子、质子及代谢产物；(2)产生的电子从微生物细胞传递至阳极；(3) 电子经由外电路到达阴极；(4)产生的质子从阳极室扩散至阴极室，到达阴极表面；(5)在阴极室中的氧化态物质即电子受体(如氧气等)与阳极传递来的质子和电子于阴极表面发生还原反应。由于它在能量转化过程减少了燃烧步骤，因而可大幅提高能量转化效率。以氧气为电子接受体为例，其阳极和阴极反应式如下所示：

阳极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，而且影响电子从微生物向阳极的传递,对提高MFC产电性能有至关重要的影响^[8]。因此,从提高MFC 的产电能力出发,选择具有潜力的阳极材料开展研究,解析阳极材质和表面特性对微生物产电特性的影响, 对提高MFC的产电能力具有十分重要的意义。在MFC 中,高性能的阳极要易于产电微生物附着生长,易于电子从微生物体内向阳极传递,同时要求阳极内部电阻小、导电性强、电势稳定、生物相容性和化学稳定性好^[9]。

通过煅烧三聚氰胺海绵制备三维（3D）N掺杂的多孔碳泡沫。以Shewanella oneidensis MR-1（S. oneidensis）作为接种菌，将制备的碳泡沫与商业石墨毡的性质进行比较。以碳泡沫为阳极的MFC产生的功率密度比商用石墨毡高约2倍。制备的碳泡沫在MFC中的优异性能主要是因为较高的表面积（687.19m²*g^-1）和多孔支架结构。此外，在所制备的碳泡沫的表面上出现亲水性官能团如C [N-C，N-C] O可以促进细胞外电子转移，降低电荷转移电阻和增加生物相容性。由于优异的生物相容性，大量的微生物在碳泡沫的表面和内部定殖，这有助于提高MFC的性能^【10】。

在过去的几十年中，使用微生物燃料电池（MFC）发电以及废水处理已引起相当大的关注。但是另一方面，MFC广泛的实际应用仍然受到阳极材料、隔膜和成本较高的限制。MFC发电取决于许多因素，例如生物催化剂，反应器配置，材料电极和分离器等。在这些因素中，作为电子受体的阳极在发电和MFC的成本中起着最重要的作用。为了在MFC中获得良好的性能，阳极需要具有可控孔隙率，高导电性，良好生物相容性，良好稳定性和耐久性以及成本效益高等优点。

MFC阳极材料非常多，但通常分为碳质和非碳质材料。碳质材料因其高粗糙度，较强的导电性，环保性和成本低而被广泛使用。目前研究中，已经使用了大量的多孔和无孔碳基材料，包括石墨棒，碳纸，碳布，石墨毡和网状玻璃化碳等。与传统的扁平阳极（石墨棒，碳纸）相比，据报道，具有3D开孔结构可显着提高MFC性能，因为其具有较大的生物可及区域，允许内部细菌的定植和同时有效的底物转移。虽然3D材料显示出较好前景，但它们的应用受其固有缺点的限制 ，例如生物相容性低（聚苯胺杂化的石墨烯泡沫）和成本高（碳纳米管涂覆的海绵）。