微生物燃料電池不同陽極材料研究進(jìn)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(diǎn)和應(yīng)用情況。最后展望了微生物燃料電池未來的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】微生物燃料電池；陽極材料；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)： TM911.45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jī)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)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(jī)廢棄物在無氧條件下催化氧化，從而獲得連續(xù)的電流輸出。[5]影響 MFC 產(chǎn)電性能的因素主要有[6-8]：有機(jī)物底物降解速率、電子轉(zhuǎn)移速率、裝置內(nèi)阻、質(zhì)子在溶液中的轉(zhuǎn)移速率、電極材料性能以及裝置的運(yùn)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(zhì)子傳遞和兩極室間不良物質(zhì)的擴(kuò)散，進(jìn)而影響電池的產(chǎn)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(guān)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(chǎn)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(chǎn)電微生物附著的載體，不僅影響產(chǎn)電微生物的附著量，還影響電子從微生物細(xì)胞傳遞至電極表面的效率。因此，陽極材料的選擇對(duì)提高 MFC 的產(chǎn)電性能，降低 MFC 的成本有著至關(guān)重要的影響。

用作陽極電極的材料必須具備以下幾個(gè)重要的特性：（1）導(dǎo)電性強(qiáng)；（2）耐腐蝕性強(qiáng)；（3）機(jī)械強(qiáng)度高；（4）表面積大；（5）生物相容性好；（6）環(huán)境友好性；（7）成本低廉。碳質(zhì)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(zhì)材料。這種材料具有表面積大，孔隙率高，導(dǎo)電性強(qiáng)，可塑性好，機(jī)械強(qiáng)度高，具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)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(dāng)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(qiáng)導(dǎo)電性，但也同時(shí)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?yàn)樗砻娣e小。在微生物燃料電池應(yīng)用上，它的成本是相當(dāng)?shù)土?。碳網(wǎng)也是一種碳材料，其價(jià)格相對(duì)便宜，同時(shí)電導(dǎo)率也較差。主要問題與機(jī)械強(qiáng)度低有關(guān)，可能導(dǎo)致高流量條件下的低耐用性。碳網(wǎng)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(duì)廉價(jià)的碳質(zhì)材料。高導(dǎo)電、高孔隙度。高孔隙度對(duì)于細(xì)菌進(jìn)入非常重要，可以在所有可用的材料位點(diǎn)繁殖細(xì)菌。單層碳面紗相當(dāng)脆弱，但由于材料是多功能的，它可以折疊形成堅(jiān)固多孔的三維電極。復(fù)寫紙是一種平面碳質(zhì)材料。多孔但昂貴，易碎，主要是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的使用。碳?xì)质且环N常用于MFC陽極的碳素材料。其特點(diǎn)是高孔隙率、高電性。電導(dǎo)率。類似碳面紗，多孔允許細(xì)菌穿透結(jié)構(gòu)并繁殖微生物進(jìn)入內(nèi)部。成本相對(duì)較低，機(jī)械性較差。強(qiáng)度取決于材料的厚度。顆?；钚蕴浚℅AC）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(dǎo)電性差。GAC不能單獨(dú)作為陽極，主要用作填料，以增加導(dǎo)電性，缺點(diǎn)是可能導(dǎo)致流式MFC裝置中出現(xiàn)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(xì)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(jī)污染物或重金屬。此屬性可用于進(jìn)一步凈化廢水或吸附重金屬。顆粒石墨性質(zhì)與GAC特性相似，但因?yàn)槿狈罨?，表面積低的多。因此，粒狀石墨具有更高的導(dǎo)電率。粒狀石墨也用作填料，而不是單獨(dú)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?jiān)诙栊詺怏w中進(jìn)行1小時(shí)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(dǎo)電率和高孔隙率。石墨板（或薄板）是一種非常簡(jiǎn)單的電極，它保證了高導(dǎo)電性和相對(duì)低廉的成本。石墨板的表面積和表面/體積比低，從而導(dǎo)致比多孔或結(jié)構(gòu)化材料低的輸出水平。由于其高的機(jī)械強(qiáng)度，它經(jīng)常被用來作為改性結(jié)構(gòu)的支撐物。網(wǎng)狀玻璃碳的特點(diǎn)是導(dǎo)電性強(qiáng)，有較大的孔隙率允許生物膜穿過整個(gè)結(jié)構(gòu)并在整個(gè)電極上繁殖。缺點(diǎn)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(wǎng)，泡沫或洗滌器）因?yàn)橛袑?dǎo)電強(qiáng)，堅(jiān)固，廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)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(duì)微生物有毒，這對(duì)生物膜的形成有負(fù)面影響。

4 結(jié)語與展望

微生物燃料電池MFC是一項(xiàng)新興科學(xué)技術(shù)，該技術(shù)可以在各領(lǐng)域應(yīng)用，尤其是在環(huán)保能源領(lǐng)域，該技術(shù)作為一項(xiàng)清潔能源，同時(shí)解決了環(huán)境污染和能源匱乏的問題。為了將這一技術(shù)實(shí)際應(yīng)用，當(dāng)務(wù)之急是研究如何提高其產(chǎn)電能力，如陽極修飾改性，增大微生物附著，選取產(chǎn)電微生物菌群等，以加快推進(jìn)MFC技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。尋找和開發(fā)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(lǐng)域的研究方向，前景廣闊。[9-10]

【參考文獻(xiàn)】

[1]Logan B E， Hamelers B， Rozendal R， et al.Microbial fuel cells：Methodology and technology[J].Environmental Science & Technology，2006，40（17）： 5181-5192.

[2]Logan B E， Rabaey K.Conversion of wastes into bioelectricity and chemicals by using microbial electrochemical technologies[J].Science，2012，337（6095） ： 686-690.

[3]Lovley D R. Microbial fuel cells：Novel microbial physiologies and engineering approaches[J].Current Opinion in Biotechnology，2006，17（17）：327-332.

[4]Rabaey K， Lissens G， Siciliano S D， et al.A microbial fuel cell capable of converting glucose to electricity at high rate and efficiency[J].Biotechnology Letters，2003，25（18）：1531-1535.

[5]周亞，彭新紅，阮國(guó)嶺，等. 微生物燃料電池陽極材料修飾研究進(jìn)展[J]. 水處理技術(shù)，2017， 43（3）9-13.

[6]Gil G C，Chang I S，Kim B H， et al.Operational parameters affecting the performannce of a mediator-less microbial fuel cell[J].Biosensors & Bioelectronics，2003，18（4）：327-334.

[7]Logan B E.Simultaneous wastewater treatment and biological electricity generation[J].Water Science & Technology，2005，52（52）：31-37.

[8]鐘登杰，劉雅琦，廖新榮，等.金屬及其化合物修飾微生物燃料電池陽極的研究進(jìn)展[J].環(huán)境化學(xué)，2017，36（7）1636-1646.

[9]卓露，汪興興，呂帥帥，等.微生物燃料電池技術(shù)的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工，2017， 37（8）41-44.

[10]LIU H，CHENG S， LOGAN B E. Production of electricity from acetate or butyrate using a single-chamber microbial fuel cell[J].Environmental Science&Technology;，2005，39（2）：658-662.