微生物燃料電池電極材料的最新研究進展

(沈陽化工大學 遼寧 沈陽 110000)

微生物燃料電池電極材料的最新研究進展

鮑萬飛高田

(沈陽化工大學遼寧沈陽110000)

微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)，是一種同步廢水處理與產(chǎn)能的新技術——以微生物為催化劑降解廢水中的有機物，將其中的化學能轉化為電能。本文介紹了微生物燃料電池陽極和陰極材料以及電極催化劑的最新研究進展，討論了提高微生物燃料電池性能的方法，即通過使用納米材料修飾電極來提高微生物及催化劑的吸附面積、結合不同材料的優(yōu)點制作復合材料做催化劑來克服單一材料的不足之處，以期研究和開發(fā)出高性能的微生物燃料電池；指出微生物燃料電池的應用前景是將微生物燃料電池與其它技術相耦合來提前實現(xiàn)它的實際應用。

微生物燃料電池；陽極；陰極；催化劑

隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，化石能源短缺問題以及化石能源在使用和開采過程中對環(huán)境的危害越來越嚴重，尋求可再生的新能源已引起全世界的關注。微生物燃料電池是可以實現(xiàn)能量轉換及產(chǎn)能的新的概念和裝置。它利用微生物和電化學的耦合作用，可以實現(xiàn)將簡單小分子或復雜生物質(zhì)中所蘊含的化學能直接轉化成電能或氫能，因其既可實現(xiàn)有機廢水處理，又使得廢水得以資源化利用，從而受到了世界各國的高度關注。

一、陽極材料

(一)傳統(tǒng)碳基材料

MFC的陽極是微生物直接粘附并產(chǎn)生電子的位置。陽極材料影響著底物的氧化、電子的產(chǎn)生和轉移過程。陽極一般使用高導電率、無腐蝕性、高比表面積、高孔隙率并且可放大的材料。碳紙、碳布、碳刷、泡沫碳等由于具有高導電性并且十分適宜微生物的生長，在MFC中得到廣泛的應用。碳紙比較薄，硬且脆，碳布比較柔軟且有韌性。

(二)導電聚合物及其復合物

(三)碳納米管及復合物

碳納米管(CNT)具有良好的導電性、巨大的比表面積、高強度和柔韌性，常與導電聚合物復合作為電極修飾材料提高MFC的性能。Qiao等將碳納米管/聚苯胺復合物作為MFC的陽極材料，研究發(fā)現(xiàn)用大腸桿菌做生物催化劑時，含20%碳納米管的復合物具有高的電化學活性，產(chǎn)生的大功率密度遠遠高于之前報道的用大腸桿菌催化劑的功率密度。

(四)石墨烯及復合物

石墨烯是碳原子以sp2雜化混成軌域呈蜂巢晶格排列構成的單層二維晶體，結構穩(wěn)定，具有高導電性、熱穩(wěn)定性以及較大的比表面積，并且是目前世界上電阻率小的材料，電子遷移速率極快，常被用于MFC中作為催化劑支撐材料和電極修飾材料，石墨烯修飾陽極時，能夠促進微生物在陽極的黏附，提高電子的轉移速率。

二、陰極材料

陰極的設計是MFC發(fā)展和應用的一個重大的挑戰(zhàn)。通常用做陽極的材料都可以用做陰極，如碳布、碳紙、碳刷、石墨棒、石墨刷等。為了提高陰極的性能，可在基底材料上負載催化劑，如鉑等。

(一)貴金屬鉑催化劑

陰極常用的材料是一面涂鉑的碳紙或碳布。但是由于鉑的價格昂貴，不利于實際應用，因此，人們開始研究減少鉑的用量或致力于尋求新型廉價的催化劑在MFC中的應用。Cheng等研究發(fā)現(xiàn)，在空氣陰極中鉑的添加量在0.1～0.2mg/cm2的范圍內(nèi)，對功率密度的影響不大，這就為減少鉑的用量，降低電極成本提供了依據(jù)。

(二)過渡金屬大環(huán)類

過渡金屬大環(huán)類陰極具有與鉑碳陰極相當?shù)男阅?，且這種陰極大大減少了貴金屬在MFC中的用量，降低了材料成本。Zhao等在電化學測試中發(fā)現(xiàn)了酞菁亞鐵(FePc)和四甲氧基苯基卟啉鈷(CoTMPP)兩種催化劑，它們在電流密度為0.2mA/cm2時的性能與鉑碳陰極相當或更好，但是其輸出功率較鉑碳低。

(三)過渡金屬和半導體材料

過渡金屬及半導體材料的氧化物都具有導電性和較好的氧還原催化活性，常被用做陰極催化劑。Roche等構建了雙極室MFC用碳載氧化錳(MnOx/C)納米粒子作陰極催化劑，發(fā)現(xiàn)在中性至微堿性環(huán)境中其性能只是略低于常規(guī)的鉑碳電極，基本可取代鉑碳作為一種較廉價的催化劑。

(四)導電聚合物及復合物

導電聚合物如聚苯胺及其共聚物、聚吡咯等具有較好的的導電性和生物相容性，有提高MFC陰極催化性的潛力。Yuan等研究了在空氣陰極MFC中用聚苯胺/炭黑復合基酞菁鐵(PANI/C/FePc)作為氧還原催化劑，發(fā)現(xiàn)與碳基酞菁鐵(C/FePc)相比PANI/C/FePc的電化學催化活性大大增強了，在MFC測試中的大功率密度為630.5mW/m2，比相同條件下鉑碳陰極的大功率密度高10%，同時它的功率/成本也比鉑碳高7.5倍。

(五)碳納米管及復合物

碳納米管獨特的電學和結構性能使它在MFC中作為催化劑載體時具有增強催化活性的能力，Tsai等用多壁碳納米管修飾碳布作為單腔室MFC的陽極，以乙酸鈉做底物，得到的大功率密度是65mW/m2，COD去除率達到95%，庫侖效率67%，高于以前的文獻報道。

(六)生物陰極

由于化學催化劑存在成本高、穩(wěn)定性低等問題，近年來關于以微生物作為陰極催化劑生物陰極的研究越來越多，生物陰極主要有以下幾個優(yōu)點：①微生物替代金屬等其它化學試劑作催化劑可以降低MFC的構建與運行成本；②避免了催化劑中毒等問題，從而提高了電池運行的持續(xù)性；③在陰極室生長的微生物也可以處理廢水或產(chǎn)生有用物質(zhì)。

三、展望

本綜述總結了MFC電極材料和催化劑的應用進展，但目前為止，MFC仍然存在著電極材料及催化劑成本較高，電流密度和功率密度沒有實質(zhì)性提高等問題，要實現(xiàn)MFC的實際應用，必須尋找廉價高效的電極材料和催化劑，提高產(chǎn)電能力以及廢水中污染物質(zhì)的去除效率。(1)隨著納米技術的發(fā)展，可以通過納米材料對電極表面修飾來提高陽極微生物的吸附面積以及陰極單位面積催化劑的負載量。(2)單一材料在某一方面存在一定的不足，在未來的研究中可以通過合成復合材料來綜合各種材料的優(yōu)點，從而提高MFC的性能。(3)MFC目前還局限于實驗室研究水平，大規(guī)模的實際應用還需長期的發(fā)展，將MFC與其它技術耦合以期早日實現(xiàn)MFC的應用。目前MFC的研究還在起步階段，隨著生物電化學、材料學等的發(fā)展和綜合應用，MFC在不久的將來必將能獲得更快更好的發(fā)展。

[1]侯俊先，劉中良，張培遠，石墨烯修飾微生物燃料電池的研究，工程熱物理學報,2013，34(7)：100-124 4.

[2]梁鵬,范明志,曹效鑫，等，碳納米管陽極微生物燃料電池產(chǎn)電性的研究，環(huán)境科學，2008，49(8)：100-084.

[3]王敏煒，李鳳儀，彭年才.碳納米管-新型的催化劑載體[J].新型碳材料.2002,17(3):76-78.

[4]微生物燃料電池電極材料研究進展，次素琴，吳娜，溫珍海，李景虹，電化學，第18卷第3期.

鮑萬飛(1994-)，男，漢族，在讀碩士研究生，沈陽化工大學，微生物燃料電池電極的改性。