(沈阳化工大学 辽宁 沈阳 110000)

微生物燃料电池电极材料的最新研究进展

鲍万飞高田

(沈阳化工大学辽宁沈阳110000)

微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)，是一种同步废水处理与产能的新技术——以微生物为催化剂降解废水中的有机物，将其中的化学能转化为电能。本文介绍了微生物燃料电池阳极和阴极材料以及电极催化剂的最新研究进展，讨论了提高微生物燃料电池性能的方法，即通过使用纳米材料修饰电极来提高微生物及催化剂的吸附面积、结合不同材料的优点制作复合材料做催化剂来克服单一材料的不足之处，以期研究和开发出高性能的微生物燃料电池；指出微生物燃料电池的应用前景是将微生物燃料电池与其它技术相耦合来提前实现它的实际应用。

微生物燃料电池；阳极；阴极；催化剂

随着全球经济的高速发展，化石能源短缺问题以及化石能源在使用和开采过程中对环境的危害越来越严重，寻求可再生的新能源已引起全世界的关注。微生物燃料电池是可以实现能量转换及产能的新的概念和装置。它利用微生物和电化学的耦合作用，可以实现将简单小分子或复杂生物质中所蕴含的化学能直接转化成电能或氢能，因其既可实现有机废水处理，又使得废水得以资源化利用，从而受到了世界各国的高度关注。

一、阳极材料

(一)传统碳基材料

MFC的阳极是微生物直接粘附并产生电子的位置。阳极材料影响着底物的氧化、电子的产生和转移过程。阳极一般使用高导电率、无腐蚀性、高比表面积、高孔隙率并且可放大的材料。碳纸、碳布、碳刷、泡沫碳等由于具有高导电性并且十分适宜微生物的生长，在MFC中得到广泛的应用。碳纸比较薄，硬且脆，碳布比较柔软且有韧性。

(二)导电聚合物及其复合物

(三)碳纳米管及复合物

碳纳米管(CNT)具有良好的导电性、巨大的比表面积、高强度和柔韧性，常与导电聚合物复合作为电极修饰材料提高MFC的性能。Qiao等将碳纳米管/聚苯胺复合物作为MFC的阳极材料，研究发现用大肠杆菌做生物催化剂时，含20%碳纳米管的复合物具有高的电化学活性，产生的大功率密度远远高于之前报道的用大肠杆菌催化剂的功率密度。

(四)石墨烯及复合物

石墨烯是碳原子以sp2杂化混成轨域呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体，结构稳定，具有高导电性、热稳定性以及较大的比表面积，并且是目前世界上电阻率小的材料，电子迁移速率极快，常被用于MFC中作为催化剂支撑材料和电极修饰材料，石墨烯修饰阳极时，能够促进微生物在阳极的黏附，提高电子的转移速率。

二、阴极材料

阴极的设计是MFC发展和应用的一个重大的挑战。通常用做阳极的材料都可以用做阴极，如碳布、碳纸、碳刷、石墨棒、石墨刷等。为了提高阴极的性能，可在基底材料上负载催化剂，如铂等。

(一)贵金属铂催化剂

阴极常用的材料是一面涂铂的碳纸或碳布。但是由于铂的价格昂贵，不利于实际应用，因此，人们开始研究减少铂的用量或致力于寻求新型廉价的催化剂在MFC中的应用。Cheng等研究发现，在空气阴极中铂的添加量在0.1～0.2mg/cm2的范围内，对功率密度的影响不大，这就为减少铂的用量，降低电极成本提供了依据。

(二)过渡金属大环类

过渡金属大环类阴极具有与铂碳阴极相当的性能，且这种阴极大大减少了贵金属在MFC中的用量，降低了材料成本。Zhao等在电化学测试中发现了酞菁亚铁(FePc)和四甲氧基苯基卟啉钴(CoTMPP)两种催化剂，它们在电流密度为0.2mA/cm2时的性能与铂碳阴极相当或更好，但是其输出功率较铂碳低。

(三)过渡金属和半导体材料

过渡金属及半导体材料的氧化物都具有导电性和较好的氧还原催化活性，常被用做阴极催化剂。Roche等构建了双极室MFC用碳载氧化锰(MnOx/C)纳米粒子作阴极催化剂，发现在中性至微碱性环境中其性能只是略低于常规的铂碳电极，基本可取代铂碳作为一种较廉价的催化剂。

(四)导电聚合物及复合物

导电聚合物如聚苯胺及其共聚物、聚吡咯等具有较好的的导电性和生物相容性，有提高MFC阴极催化性的潜力。Yuan等研究了在空气阴极MFC中用聚苯胺/炭黑复合基酞菁铁(PANI/C/FePc)作为氧还原催化剂，发现与碳基酞菁铁(C/FePc)相比PANI/C/FePc的电化学催化活性大大增强了，在MFC测试中的大功率密度为630.5mW/m2，比相同条件下铂碳阴极的大功率密度高10%，同时它的功率/成本也比铂碳高7.5倍。

(五)碳纳米管及复合物

碳纳米管独特的电学和结构性能使它在MFC中作为催化剂载体时具有增强催化活性的能力，Tsai等用多壁碳纳米管修饰碳布作为单腔室MFC的阳极，以乙酸钠做底物，得到的大功率密度是65mW/m2，COD去除率达到95%，库仑效率67%，高于以前的文献报道。

(六)生物阴极

由于化学催化剂存在成本高、稳定性低等问题，近年来关于以微生物作为阴极催化剂生物阴极的研究越来越多，生物阴极主要有以下几个优点：①微生物替代金属等其它化学试剂作催化剂可以降低MFC的构建与运行成本；②避免了催化剂中毒等问题，从而提高了电池运行的持续性；③在阴极室生长的微生物也可以处理废水或产生有用物质。

三、展望

本综述总结了MFC电极材料和催化剂的应用进展，但目前为止，MFC仍然存在着电极材料及催化剂成本较高，电流密度和功率密度没有实质性提高等问题，要实现MFC的实际应用，必须寻找廉价高效的电极材料和催化剂，提高产电能力以及废水中污染物质的去除效率。(1)随着纳米技术的发展，可以通过纳米材料对电极表面修饰来提高阳极微生物的吸附面积以及阴极单位面积催化剂的负载量。(2)单一材料在某一方面存在一定的不足，在未来的研究中可以通过合成复合材料来综合各种材料的优点，从而提高MFC的性能。(3)MFC目前还局限于实验室研究水平，大规模的实际应用还需长期的发展，将MFC与其它技术耦合以期早日实现MFC的应用。目前MFC的研究还在起步阶段，随着生物电化学、材料学等的发展和综合应用，MFC在不久的将来必将能获得更快更好的发展。

[1]侯俊先，刘中良，张培远，石墨烯修饰微生物燃料电池的研究，工程热物理学报,2013，34(7)：100-124 4.

[2]梁鹏,范明志,曹效鑫，等，碳纳米管阳极微生物燃料电池产电性的研究，环境科学，2008，49(8)：100-084.

[3]王敏炜，李凤仪，彭年才.碳纳米管-新型的催化剂载体[J].新型碳材料.2002,17(3):76-78.

[4]微生物燃料电池电极材料研究进展，次素琴，吴娜，温珍海，李景虹，电化学，第18卷第3期.

鲍万飞(1994-)，男，汉族，在读硕士研究生，沈阳化工大学，微生物燃料电池电极的改性。