微生物燃料電池不同陽極材料研究進展

唐艷

【摘 要】本文介紹了微生物燃料電池的陽極材料。分別介紹了各種碳基和金屬基陽極材料的特點和應用情況。最后展望了微生物燃料電池未來的發展方向。

【關鍵詞】微生物燃料電池；陽極材料；研究進展

中圖分類號： TM911.45 文獻標識碼： A 文章編號： 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

微生物燃料電池是一種將有機物的化學能直接轉化為電能的裝置。[1-4]原理是通過微生物群落的催化作用，將陽極室的有機廢棄物在無氧條件下催化氧化，從而獲得連續的電流輸出。[5]影響 MFC 產電性能的因素主要有[6-8]：有機物底物降解速率、電子轉移速率、裝置內阻、質子在溶液中的轉移速率、電極材料性能以及裝置的運行條件等。

1 微生物燃料電池的組成

微生物燃料電池主要由三部分組成：離子交換膜，陽極材料，陰極催化劑。離子交換膜通過直接影響陽極室質子傳遞和兩極室間不良物質的擴散，進而影響電池的產電性能，雖然不是MFC中必要的組成部分，但缺失隔膜的MFC，陽極微生物活性明顯受限。陽極材料是MFC的重要關鍵部分，微生物附著在陽極上，釋放的電子也靠陽極收集。所以，諸多研究都是圍繞著陽極開展，如修飾陽極材料以提高產電性能。

2 陽極電極材料特性

MFC的核心部分陽極材料，作為產電微生物附著的載體，不僅影響產電微生物的附著量，還影響電子從微生物細胞傳遞至電極表面的效率。因此，陽極材料的選擇對提高 MFC 的產電性能，降低 MFC 的成本有著至關重要的影響。

用作陽極電極的材料必須具備以下幾個重要的特性：（1）導電性強；（2）耐腐蝕性強；（3）機械強度高；（4）表面積大；（5）生物相容性好；（6）環境友好性；（7）成本低廉。碳質和金屬基材料符合上述所有特征，可作為陽極的主體。

3 碳基和金屬基陽極電極材料

碳布是微生物燃料電池陽極常使用的一種碳質材料。這種材料具有表面積大，孔隙率高，導電性強，可塑性好，機械強度高，具有復雜的三維結構。缺點則是成本較高。碳刷是一種基于碳纖維扭曲的鈦芯的材料。其表面積相當大，具有最佳面積與體積比。中央鈦金屬材料保證了碳刷的強導電性，但也同時增加了材料成本。碳刷被大量用作陽極，一直以來的研究都在尋找降低其整體成本。碳棒不常用于微生物燃料電池陽極，主要用作電流收集器，因為它表面積小。在微生物燃料電池應用上，它的成本是相當低廉的。碳網也是一種碳材料，其價格相對便宜，同時電導率也較差。主要問題與機械強度低有關，可能導致高流量條件下的低耐用性。碳網也可以折疊成三維電極，但其孔隙率較低。碳面罩是一種相對廉價的碳質材料。高導電、高孔隙度。高孔隙度對于細菌進入非常重要，可以在所有可用的材料位點繁殖細菌。單層碳面紗相當脆弱，但由于材料是多功能的，它可以折疊形成堅固多孔的三維電極。復寫紙是一種平面碳質材料。多孔但昂貴，易碎，主要是實驗室規模的使用。碳氈是一種常用于MFC陽極的碳素材料。其特點是高孔隙率、高電性。電導率。類似碳面紗，多孔允許細菌穿透結構并繁殖微生物進入內部。成本相對較低，機械性較差。強度取決于材料的厚度。顆粒活性炭（GAC）由于其良好的生物相容性和低成本，也常用作陽極電極。GAC材料是多孔的，因此導電性差。GAC不能單獨作為陽極，主要用作填料，以增加導電性，缺點是可能導致流式MFC裝置中出現堵塞情況。雖然GAC的表面積很大，由于可用的表面積主要在納米尺度，所以細菌可附著的表面積很小，通常，GAC與碳棒作為電流收集器。由于GAC具有非常高的表面積，可以吸附有機污染物或重金屬。此屬性可用于進一步凈化廢水或吸附重金屬。顆粒石墨性質與GAC特性相似，但因為缺乏活化，表面積低的多。因此，粒狀石墨具有更高的導電率。粒狀石墨也用作填料，而不是單獨的陽極。碳化紙板也是一種三維材料，由單壁瓦楞紙板回收而成。由兩層襯層之間插入的凹槽層制成的紙張在惰性氣體中進行1小時的熱處理（1000℃）。然后將獲得的碳化紙板連接到剛性支撐件上。該材料成本非常低，具有高導電率和高孔隙率。石墨板（或薄板）是一種非常簡單的電極，它保證了高導電性和相對低廉的成本。石墨板的表面積和表面/體積比低，從而導致比多孔或結構化材料低的輸出水平。由于其高的機械強度，它經常被用來作為改性結構的支撐物。網狀玻璃碳的特點是導電性強，有較大的孔隙率允許生物膜穿過整個結構并在整個電極上繁殖。缺點是，這種材料非常易碎，而且用于微生物燃料電池貴。其他碳材料如靜電碳纖維活性炭納米纖維和碳化植物莖也被用作陽極電極。[10]

一些金屬材料也可作為MFCs陽極電極。其中，不銹鋼（板、網，泡沫或洗滌器）因為有導電強，堅固，廉價等優點常被使用。最近，也成功的研究了其他金屬，如銅，鎳，銀，金和鈦可作為MFC陽極電極材料。但銅鎳離子從電極釋放出來，可能對微生物有毒，這對生物膜的形成有負面影響。

4 結語與展望

微生物燃料電池MFC是一項新興科學技術，該技術可以在各領域應用，尤其是在環保能源領域，該技術作為一項清潔能源，同時解決了環境污染和能源匱乏的問題。為了將這一技術實際應用，當務之急是研究如何提高其產電能力，如陽極修飾改性，增大微生物附著，選取產電微生物菌群等，以加快推進MFC技術的實際應用。尋找和開發新型的金屬或金屬化合物修飾陽極基底材料也是今后該領域的研究方向，前景廣闊。[9-10]

【參考文獻】

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