3D打印微生物燃料電池陽(yáng)極及其性能特性

楊杰男，付乾，李俊，張亮，熊珂睿，廖強(qiáng)，朱恂

（1 重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030；2 重慶大學(xué)工程熱物理研究所，重慶400030）

隨著科技水平的飛速發(fā)展，能源危機(jī)以及環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)成為人類社會(huì)急需解決的兩大難題。而近些年來(lái)飛速發(fā)展的微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）技術(shù)利用具有電化學(xué)活性的微生物作為催化劑，可以在降解廢水中有機(jī)污染物的同時(shí)產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)能量回收利用[1-2]。該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)，可在城市污水處理、工廠有害廢水處理等實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的研究重點(diǎn)[3]。

MFC的工作原理如圖1所示：MFC陽(yáng)極側(cè)通過(guò)微生物氧化有機(jī)物獲得電子，微生物通過(guò)直接或間接的方式[4]將電子傳遞到陽(yáng)極表面，電子再通過(guò)外電路傳遞到陰極被陰極側(cè)的氧化性物質(zhì)接收；MFC內(nèi)電路則通過(guò)離子的定向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的連通。目前MFC 較低的輸出功率成為限制該技術(shù)推廣的主要瓶頸[5]。陽(yáng)極作為MFC的重要結(jié)構(gòu)是微生物生長(zhǎng)繁殖的場(chǎng)所，其結(jié)構(gòu)特性直接影響產(chǎn)電菌在電極上的附著以及其與電極間的電子傳遞，直接影響MFC 性能。因此，選擇合適的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)對(duì)于MFC性能的提升有著重要的意義。

圖1 MFC工作原理示意圖

目前，對(duì)MFC 陽(yáng)極的研究主要包括電極材料[6]、電極結(jié)構(gòu)[7]、電極修飾[8-10]以及電極與微生物間的電子傳遞機(jī)理[4]等方面。電極結(jié)構(gòu)可直接影響微生物成膜及微環(huán)境內(nèi)物質(zhì)傳遞與反應(yīng)，受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。MFC 陽(yáng)極主要可分為二維陽(yáng)極和三維陽(yáng)極。其中，二維陽(yáng)極主要有碳紙、碳布、石墨板和不銹鋼網(wǎng)等；三維陽(yáng)極主要包括碳刷、碳?xì)?、活性炭、不銹鋼刷以及復(fù)合電極等[11]。與二維陽(yáng)極相比，三維陽(yáng)極具有更大的比表面積，有利于促進(jìn)產(chǎn)電菌的附著、生長(zhǎng)以及電極催化氧化有機(jī)物性能的提升，從而提升MFC 性能。Logan 等學(xué)者[12]最早在基于空氣陰極的MFC中使用碳刷作為陽(yáng)極，其在立方體反應(yīng)器及圓柱反應(yīng)器中的功率密度分別比使用碳布陽(yáng)極的MFC 高出3 倍和1.4 倍。黃霞等[13]比較了以碳紙、石墨和碳?xì)诌@3種陽(yáng)極材料構(gòu)建的MFC 的產(chǎn)電性能。研究結(jié)果表明，使用碳?xì)蛛姌O的MFC具有最小的阻抗以及最大的功率密度，而使用碳紙電極的MFC 由于其較小的比表面積，導(dǎo)致電池的輸出功率最低。Liu 等[14]以石墨顆粒、碳刷以及這兩種材料的復(fù)合材料作為陽(yáng)極構(gòu)建MFC,并對(duì)使用以上三種陽(yáng)極材料的MFC產(chǎn)電性能進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用復(fù)合電極的MFC具有最高的活性生物量，其功率密度分別為使用石墨顆粒陽(yáng)極以及使用碳刷陽(yáng)極的MFC 功率密度的5.3倍和1.2倍。

然而，傳統(tǒng)三維電極仍存在由于結(jié)構(gòu)不合理帶來(lái)的電極內(nèi)部物質(zhì)傳輸受限等問(wèn)題。例如市場(chǎng)上商業(yè)化的碳?xì)种饕獮槲⒚卓捉Y(jié)構(gòu)，因此用碳?xì)种谱鞯腗FC 電極會(huì)被大量繁殖的微生物阻塞外部孔道，限制碳?xì)蛛姌O內(nèi)的物質(zhì)傳輸，影響微生物向電極內(nèi)部的生長(zhǎng)[11,15]。采用石墨顆粒堆疊的方式制作的MFC 電極會(huì)存在顆粒分布不均的問(wèn)題，不利于對(duì)有效空間的充分利用；并且由于活性炭的質(zhì)量較大，也不利于該類電極的實(shí)際應(yīng)用[11,14-15]。MFC 中常用的碳刷電極，雖然其外側(cè)是較為發(fā)散的結(jié)構(gòu)，但由于該結(jié)構(gòu)的碳纖維向電極內(nèi)部集中導(dǎo)致內(nèi)部碳纖維間距很小，不利于物質(zhì)在碳刷電極內(nèi)部的傳輸及微生物在電極內(nèi)部的繁殖；同時(shí)由于碳刷電極制備工藝的不成熟，導(dǎo)致碳纖維在電極縱向的分布不均勻，不利于電極空間的充分利用[11,15]。因此傳統(tǒng)三維電極存在孔徑尺寸不合理、電極內(nèi)部空間利用率差、制作工藝復(fù)雜等問(wèn)題，在一定程度上限制了MFC的產(chǎn)電性能[11-15]。近些年來(lái)，3D打印技術(shù)逐漸發(fā)展成熟并成功應(yīng)用于多項(xiàng)領(lǐng)域，利用3D 打印技術(shù)可構(gòu)建具有人為可控結(jié)構(gòu)的MFC電極[16]，同時(shí)通過(guò)對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化可促進(jìn)電極內(nèi)部的物質(zhì)傳輸，微生物在電極內(nèi)部的附著、生長(zhǎng)及其與電極表面之間的電子傳遞，進(jìn)而提升MFC的產(chǎn)電性能。

因此，本文采用3D 打印技術(shù)構(gòu)建具有可控孔隙結(jié)構(gòu)的三維均勻孔結(jié)構(gòu)電極，在此基礎(chǔ)上研究了具有可控孔道結(jié)構(gòu)的均勻孔徑電極內(nèi)部微生物的生長(zhǎng)成膜以及電極的產(chǎn)電特性，獲得性能優(yōu)于三維碳?xì)蛛姌O的3D 打印電極及其最佳孔徑尺寸，為孔徑可控的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及MFC 的實(shí)際應(yīng)用推廣提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 電極制作

電極的制作流程如圖2所示。本文選用SLA光敏樹(shù)脂（長(zhǎng)沙宏速三維科技有限公司）作為原材料，通過(guò)3D 打印機(jī)（iSLA1900D，中瑞科技）完成具有不同孔徑（0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm及2.0mm 均勻孔徑）三維陽(yáng)極的打印。打印完成后，首先使用去離子水對(duì)電極進(jìn)行清洗，將其置于50℃的烘箱中干燥3h；然后將干燥后的電極置于管式爐（SK-G08123K-610，天津中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司）中，并在N2氛圍下梯度升溫碳化處理9h，碳化過(guò)程中保持N2流量為80mL/min。通過(guò)測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)采用SLA光敏樹(shù)脂打印的三維電極的碳化收縮比為2∶1，因此，碳化后得到的三維電極尺寸為1cm3（1cm×1cm×1cm）。其次，將碳化后的電極依次在無(wú)水乙醇、稀鹽酸和去離子水中進(jìn)行浸泡清洗，以去除電極表面的焦油等雜質(zhì)。最后，將電極置于50℃的烘箱中再干燥3h，并在N2氛圍下保存待用。本實(shí)驗(yàn)中，分別采用碳布陽(yáng)極（4cm×4cm）和碳?xì)株?yáng)極（1cm×1cm×1cm）作為對(duì)照樣，對(duì)照樣電極和碳布陰極（5cm×6cm）在組裝MFC 前均按照上述預(yù)處理步驟進(jìn)行清洗及烘干。

1.2 MFC組裝、啟動(dòng)與運(yùn)行

本實(shí)驗(yàn)采用雙腔室MFC 結(jié)構(gòu)（各腔室體積均為250mL），采用3D打印電極作為陽(yáng)極，碳布電極（臺(tái)灣碳能有限公司，臺(tái)灣，中國(guó)）作為陰極，Ag/AgCl電極（天津艾達(dá)恒晟有限公司，天津，中國(guó)）作為參比電極，并通過(guò)陽(yáng)離子交換膜（AMI-7001,Membranes International Inc,新澤西州，美國(guó)）將陰陽(yáng)兩極腔室隔開(kāi)，MFC結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。對(duì)照組采用相應(yīng)碳?xì)?、碳布作為MFC 陽(yáng)極，其余實(shí)驗(yàn)條件保持不變。

對(duì)MFC 進(jìn)行啟動(dòng)：向陽(yáng)極腔室接種250mL 含有產(chǎn)電菌的菌懸液（50mL）、培養(yǎng)基和磷酸鹽緩沖溶液（PBS）作為陽(yáng)極液，并向陰極腔室注入250mL已知濃度的鐵氰化鉀和PBS的混合溶液作為陰極液。其中，陽(yáng)極培養(yǎng)基的成分為有機(jī)底物（CH3COONa·3H2O2， COD 含 量 為1500mg/L）、微量元素以及亞微量元素，PBS 溶液成分為Na2HPO4·12H2O 和KH2PO4，濃度為50mmol/L。陰極液的成分為50mmol/L PBS 溶液和50mmol/L 鐵氰化鉀的混合溶液。在MFC 啟動(dòng)過(guò)程中，陽(yáng)極腔室內(nèi)進(jìn)行磁力攪拌，轉(zhuǎn)速為200r/min，并使MFC 在50Ω的外接負(fù)載下運(yùn)行。待電池的產(chǎn)電電流下降至峰值電流的10%以下時(shí)，將MFC 更換新鮮的陽(yáng)極液和陰極液，直到連續(xù)幾次換液后電池的最大電流不再上升，即表明陽(yáng)極生物膜掛膜成功，電池啟動(dòng)完成。啟動(dòng)階段電池電壓及電極電位均由數(shù)據(jù)采集器（34970A,Agilent,，加利福尼亞州，美國(guó)）進(jìn)行記錄。所有實(shí)驗(yàn)步驟均在溫度為30℃±1℃的恒溫室中進(jìn)行。

圖2 電極制作流程示意圖及MFC實(shí)物圖

1.3 電池性能測(cè)試

電池啟動(dòng)成功后，陽(yáng)極液替換為不含菌懸液的新鮮培養(yǎng)基，通過(guò)電阻箱將MFC外接負(fù)載從15Ω逐漸增大至2000Ω，最終使MFC處于開(kāi)路狀態(tài)的方式對(duì)其進(jìn)行功率密度測(cè)試。在該過(guò)程中，電池電壓和電極電位均由數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行記錄。進(jìn)行功率密度計(jì)算時(shí)，以陽(yáng)極的投影面積（1cm2）作為計(jì)算基準(zhǔn)。

使用電化學(xué)工作站（VMP3, Bio-Logic, Claix,法國(guó)） 對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行循環(huán)伏安掃描（cyclic voltammetry, CV） 以及電化學(xué)阻抗測(cè)試（electrochemical impedance spectroscopy,EIS）。實(shí)驗(yàn)采用三電極體系進(jìn)行測(cè)量，其中工作電極為陽(yáng)極，碳布電極為對(duì)電極，Ag/AgCl 電極為參比電極。在進(jìn)行CV 測(cè)試時(shí)，掃描區(qū)間為-6～0.3V，掃速為1mV/s，掃描條件為開(kāi)路狀態(tài)。在進(jìn)行EIS測(cè)試時(shí)，掃描頻率為100kHz～10mHz，施加的電位為該電池在最大功率密度下所對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極電位。

將啟動(dòng)完成后的MFC 陽(yáng)極進(jìn)行切割取樣，在不同濃度的乙醇以及叔丁醇溶液中對(duì)其進(jìn)行脫水處理，并將電極樣品進(jìn)行干燥保存和噴金處理。運(yùn)用掃描電子顯微鏡（VEGA 3 LMH SEM,TESCAN,捷克）對(duì)電極樣品表面的微觀形貌進(jìn)行拍攝。采用磷脂法對(duì)電極的活性生物量進(jìn)行測(cè)量。電鏡掃描以及活性生物量測(cè)試所需樣品制備的具體操作步驟參照文獻(xiàn)[17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 3D打印電極的制備

為保證碳化后電極仍能保持良好的形貌結(jié)構(gòu)，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)電極材料進(jìn)行熱重分析（圖3），測(cè)試了電極材料在不同溫度下的質(zhì)量失重情況，從而確定電極在碳化過(guò)程中的升溫梯度及時(shí)間。

圖3 電極材料碳化熱重曲線

熱重曲線表明，電極碳化熱解過(guò)程主要分3個(gè)階段。在室溫到380℃這一階段，電極質(zhì)量隨溫度升高緩慢下降，電極結(jié)構(gòu)受溫度變化影響較小，因此在該碳化階段可以設(shè)置較高的升溫速率(3℃/min)。在380～440℃這一階段，電極質(zhì)量隨溫度升高迅速縮減80%，電極結(jié)構(gòu)急劇變化。因此該階段升溫速率的設(shè)置很大程度上決定了電極能否保持原有形貌結(jié)構(gòu)，而較高的升溫速率容易造成電極塌陷，因此在碳化過(guò)程中該溫度梯度的升溫速率設(shè)為0.2℃/min。在440～800℃這一階段，電極質(zhì)量幾乎不隨溫度升高變化，因此該階段可以提升升溫速率至3℃/min。圖4(a)示出了碳化前后3D 打印電極的對(duì)比情況，如圖所示，碳化后電極的邊長(zhǎng)與未碳化的比值為1.03±0.01。圖4(b)示出了碳化后3D 打印電極內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)形貌，可以觀測(cè)到碳化后的電極內(nèi)部具有均勻規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，且孔道平均尺寸也縮為原來(lái)的0.5±0.08（碳化前孔道尺寸為0.6mm，碳化后孔道尺寸為0.3mm±0.05mm），表明此電極制作方式具有尺寸精確可控的特點(diǎn)。

圖4 碳化電極形貌圖

2.2 MFC啟動(dòng)

圖5 為采用0.6mm 孔徑3D 打印陽(yáng)極的MFC 啟動(dòng)曲線及功率密度曲線。如圖5(a)所示，MFC啟動(dòng)曲線在1天時(shí)間內(nèi)便達(dá)到最大電流（相對(duì)于陽(yáng)極投影面積）。這是由于陽(yáng)極腔室內(nèi)的產(chǎn)電菌經(jīng)過(guò)短暫的適應(yīng)期迅速到達(dá)指數(shù)增長(zhǎng)期，電極表面微生物數(shù)目的大幅增殖極大地提升了微生物催化氧化電子供體（乙酸鈉）的速率，從而加速陽(yáng)極表面的電子傳遞，促使MFC 電流急速上升。啟動(dòng)電流的迅速增長(zhǎng)表明碳化后的3D 打印電極具有良好的生物相容性。隨后MFC 的啟動(dòng)電流迅速下降，這是由于陽(yáng)極液中的電子供體（乙酸鈉）已消耗殆盡，在更換新鮮陽(yáng)極液后，MFC 迅速恢復(fù)至最大電流，表明微生物已經(jīng)成功附著到電極表面。經(jīng)過(guò)數(shù)次換液后，MFC 可維持穩(wěn)定數(shù)值的最大電流，電極表面已形成成熟的生物膜，MFC啟動(dòng)完成。圖5(b)示出了MFC 的功率密度曲線（以陽(yáng)極投影面積為基準(zhǔn)），其最大功率密度為8.8W/m2、體積功率密度為880W/m3（相對(duì)于陽(yáng)極體積），高于文獻(xiàn)報(bào)道的采用傳統(tǒng)二維、三維陽(yáng)極的MFC（200～3000mW/m2）。這表明碳化3D 打印電極具有良好的生物相容性，是一種良好的MFC陽(yáng)極材料。

圖5 3D打印陽(yáng)極MFC運(yùn)行及性能曲線

2.3 電極孔徑對(duì)MFC性能的影響

電極孔徑尺寸的變化可以影響電極的比表面積以及電極內(nèi)部的物質(zhì)傳輸?shù)葪l件，進(jìn)而影響電極性能：小孔徑的電極擁有較大的比表面積，但電極內(nèi)部物質(zhì)傳輸?shù)淖枇^大；大孔徑電極比表面積雖然較小，但電極內(nèi)部的物質(zhì)傳輸阻力也相對(duì)較小。本實(shí)驗(yàn)采用不同孔徑的3D 打印電極作為實(shí)驗(yàn)組，碳布電極、碳?xì)蛛姌O作為對(duì)照組，探究電極孔徑尺寸對(duì)MFC性能的影響規(guī)律。

從實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組的功率密度（以陽(yáng)極投影面積為基準(zhǔn)）曲線即圖6(a)可知，采用0.4mm 孔徑電極的MFC具有最大的功率密度12.85W/m2，相對(duì)于0.3mm、0.5mm、0.6mm 以及1.0mm 孔徑的電極的MFC 分別提高了36.12%、11.26%、43.90%以及52.07%。同時(shí)，其功率密度相對(duì)于采用碳?xì)蛛姌OMFC 提升了38%，是碳布電極MFC 的11 倍。0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm 以及1.0mm 孔徑電極MFC相對(duì)于陽(yáng)極體積的功率密度分別為944W/m3、1285W/m3、1155W/m3、893W/m3、845W/m3，0.4mm孔徑電極MFC 同時(shí)擁有最大的體積功率密度?？梢?jiàn)，通過(guò)對(duì)3D 打印電極的孔徑尺寸優(yōu)化，可獲得較常用二維、三維電極更優(yōu)的電極性能。

圖6(c)示出各孔徑電極的CV 圖譜，各電極均顯示出形狀相似的催化氧化乙酸鈉的S形曲線，且曲線氧化電流隨著電位的增加而增大，在高電位區(qū)達(dá)到穩(wěn)定。各電極起始電流對(duì)應(yīng)的電壓為-0.5～-0.4V vs.Ag/AgCl，其中0.4mm、0.5mm孔徑電極的啟動(dòng)電流對(duì)應(yīng)的電壓最負(fù)，表明這兩個(gè)電極表面的生物膜具有更好的電化學(xué)活性[18]。CV 曲線的氧化峰值電流在一定程度上也可以反應(yīng)出電極電化學(xué)性能的強(qiáng)弱。由于電極孔徑尺寸的變化可以影響電極的比表面積以及電極內(nèi)部的物質(zhì)傳輸?shù)葪l件，進(jìn)而影響電極性能。因此本實(shí)驗(yàn)中，CV 曲線氧化電流峰值的大小與電極孔徑尺寸相關(guān)。在有攪拌條件下，0.4mm 孔徑電極展現(xiàn)出較高的理論峰值電流，表明0.4mm 孔徑電極具有最佳的孔徑尺寸與結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)更有利于電極內(nèi)部的物質(zhì)傳輸及微生物的生長(zhǎng)，有利于MFC性能的提升。

對(duì)MFC 陽(yáng)極進(jìn)行EIS 測(cè)試可以得到其阻抗分布，圖7 和表1 為各電極在有攪拌條件下的EIS 測(cè)試結(jié)果。EIS 測(cè)試曲線與X 軸的交點(diǎn)為歐姆阻抗大小，接下來(lái)兩段圓弧的直徑分別代表傳荷阻抗、傳質(zhì)阻抗的大小。通過(guò)將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合可以得到電極的阻抗大小，從圖7可以看出，擬合曲線與測(cè)試結(jié)果基本吻合。擬合結(jié)果表明（表1），各電極的傳荷阻抗、傳質(zhì)阻抗均高于其歐姆阻抗。在均勻孔電極中，0.4mm孔徑電極具有最小的總阻抗及最低的傳質(zhì)阻抗，表明0.4mm孔徑電極內(nèi)部較好的物質(zhì)傳輸狀況，該電極具有最佳的孔徑尺寸與結(jié)構(gòu)，這與MFC功率密度測(cè)試結(jié)果以及CV測(cè)試結(jié)果相對(duì)應(yīng)。雖然碳布電極的傳質(zhì)阻抗及總阻抗均低于其他電極，但碳布電極較小的比表面積限制了微生物催化劑的大量附著，因而其電極性能遠(yuǎn)低于本實(shí)驗(yàn)其他三維電極。

圖6 各孔徑陽(yáng)極MFC電化學(xué)性能曲線

微生物在電極表面的附著狀況可以直觀地反應(yīng)出電極性能的優(yōu)劣，并且可以從側(cè)面反應(yīng)出電極內(nèi)部的物質(zhì)傳輸狀況。圖8 為不同孔徑電極內(nèi)[圖8(a)～(e)]、外[圖8(f)～(j)]表面的SEM 圖。可以看出，各孔徑電極外表面均附著較厚的生物膜，然而不同孔徑內(nèi)表面的生物膜附著情況存在著較大差異。由于0.3mm 孔徑電極的孔尺寸較小，由圖8(a)可知，其電極外表面的孔道口存在明顯的阻塞現(xiàn)象，因此0.3mm 孔徑電極內(nèi)部[圖8(f)]的生物量明顯減少，孔道中心幾乎無(wú)生物附著。0.4mm孔徑電極內(nèi)部區(qū)域[圖8(b)]較0.3mm 電極內(nèi)部的生物量有所提升，但孔道內(nèi)部[圖8(g)]的生物量明顯分布不均。0.5mm 及更大孔徑電極內(nèi)部[圖8(h)～(j)]均附著較為均勻的生物膜，且有較多生物量。

圖7 各電極電化學(xué)阻抗曲線

表1 各電極EIS擬合值

由SEM 拍攝結(jié)果可知：較小孔徑的電極雖然有較大的比表面積，但由于微生物的生長(zhǎng)過(guò)程會(huì)由外向內(nèi)逐漸阻塞電極孔道，不利于物質(zhì)向電極內(nèi)部的傳輸，從而減少了微生物在電極內(nèi)部的附著。而較大孔徑電極內(nèi)部的物質(zhì)傳輸狀況良好，從而有利于微生物向電極內(nèi)部的生長(zhǎng)。然而，大孔電極的比表面積較小，從而限制了微生物的總體附著量。因此，可以通過(guò)對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證電極具有較大比表面積的條件下提升電極內(nèi)部的物質(zhì)傳輸，從而提升電極性能。

通過(guò)對(duì)不同均勻孔電極的活性生物量進(jìn)行測(cè)量[圖8(k)]，可知0.4mm 孔徑電極具有最多的活性生物量。因此0.4mm孔徑電極將內(nèi)部較優(yōu)的物質(zhì)傳輸與較大的比表面積進(jìn)行有效的結(jié)合，從而使更多的微生物在電極表面和內(nèi)部附著，促進(jìn)了MFC 功率密度的提升。

圖8 各孔徑陽(yáng)極表面形貌及生物量表征

表2 采用不同陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的MFC性能對(duì)比

通過(guò)與采用不同類型陽(yáng)極的MFC 進(jìn)行對(duì)比（表2），可以發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)中3D 打印陽(yáng)極的MFC具有最大的功率密度，為12.85W/m2，遠(yuǎn)高于二維碳布陽(yáng)極、三維碳刷、碳?xì)株?yáng)極MFC。這表明碳化3D 打印電極是一種合適的MFC 陽(yáng)極材料。同時(shí)，碳化3D 打印電極不僅較之前文獻(xiàn)報(bào)道的聚合物3D 打印電極的性能有巨大提升，而且這種電極制作方式可以通過(guò)碳化不同類型材料實(shí)現(xiàn)材料的不同比例收縮，這可以在一定程度上解決3D 打印技術(shù)難以打印較小尺寸（≤0.5mm）電極這一問(wèn)題，可進(jìn)一步為3D打印技術(shù)在MFC電極制作方面的推廣奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)利用3D打印技術(shù)制作MFC 陽(yáng)極，并通過(guò)對(duì)孔徑尺寸的篩選和優(yōu)化獲得了最佳孔徑為0.4mm 的電極，在該陽(yáng)極孔徑條件下的MFC 取得的最大功率密度為12.85W/m2，相對(duì)于碳?xì)蛛姌O的MFC 提升了38%，是碳布電極MFC 的11 倍。這是由于0.4mm孔徑電極具有較大的比表面積以及較優(yōu)的內(nèi)部物質(zhì)傳輸條件，有利于更多微生物在電極表面的附著和生長(zhǎng)。

由于3D 打印的電極制作方式具有精確可控的特點(diǎn)，可以通過(guò)對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，促進(jìn)電極內(nèi)部微生物生長(zhǎng)繁殖，從而進(jìn)一步提升電極性能。該研究結(jié)果為MFC 的性能提升及其工程應(yīng)用提供了良好的參考價(jià)值。