刘远峰等：微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展 271· producing microorganisms,and improving the reactive activation sites.To this end,it discussed various types of anode electrodes, electrode structure designs,and electrode material modifications.A mechanism that improved the electricity generation performance was also discussed.Finally,carbon-based electrode materials might provide theoretical guidance for preparing anode materials with high electrochemical activity. KEY WORDS microbial fuel cell;anode electrode;carbon nanomaterials;electrode modification;biocompatibility 随着资源的过度使用和环境问题的频繁发 Resistor 生，开发新的可持续性能源技术迫在眉睫.微生物 燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)具有降解 Anode Cathode 污水中的有机物同时产生电能的双重功能，受到 chamber 研究者的广泛关注四，大多数的研究主要集中在 MFCs处理有机废物方面.作者利用MFCs技术处 H ◆H中 理直接大红模拟废水，同步降解染料废水并回收 能源，连续运行48h后，对直接大红的脱色率达到 了38.6%，输出功率为6.5mwm2p利用MFCs处 Acceptor 理含铜废水，研究表明阴极可以析出C2O,最大 Microorganism (02) 输出功率为114.42mwm2)通过改变电子受体 探究MFCs的产电性能，能达到的最大输出功率 PEM 为385mWm2.尽管MFCs在废水处理领域具 图1微生物燃料电池原理示意图 有一定的应用，但目前较低的产电性能限制了 Fig.I Schematic diagram of microbial fuel cell MFCs的扩大化应用，降低投入成本、提高产出 阳极反应：CH3C00~+4H20→2HC03ˉ+9H++8e 效率是MFCs研究的重要方向.阳极作为微生物 阴极反应：O2+4H*+4e→2H20 的载体及电化学反应活性的位点，是影响MFCs产 碳基材料是应用最广泛的电极材料，常用的 电性能的重要因素，设计具有生物相容性和高导 碳基材料有石墨片、碳布、碳纸及炭毡（图2），它 电率的阳极材料对提高MFCs产电输出具有重要 们具有较好的导电性和化学稳定性，但由于这些 意义 材料大部分是二维结构，能够为微生物提供的附 1MFC工作原理及碳基材料简介 着面积较小，且部分材料电化学反应活性位点有 限，因而活性表面积受限，导致MFCs启动速度缓 典型的双室MFCs包括阳极室、阴极室，两室 慢对碳材料进行改性，提高电极材料的比表面 之间用质子膜进行分割，在阳极室主要进行微生 积，降低电极内阻，为胞外电子传递提供更多的附 物在电极上的附着生长、有机物的分解代谢、微 着位点，符合MFCs设计的需要，本文主要介绍了 生物-阳极间的电子传递，H通过质子交换膜到达 纳米碳基材料的合成和纳米材料修饰电极的方 阴极，电子通过外电路到达阴极，在阴极发生还原 法，为提高MFCs的产电性能提供指导 反应，如图1所示，图中PEM表示质子交换膜， 2 碳基电极材料合成与改性 以葡萄糖为电子供体，氧气为电子受体，其反应 如下： 对碳基电极进行改性主要是为了提高电极材 Graphjite fl Carhon cloth arhon flake 图2常用的碳基电极材料照片 Fig.2 Optical photograph of common carbon-based electrode materialproducing  microorganisms,  and  improving  the  reactive  activation  sites.  To  this  end,  it  discussed  various  types  of  anode  electrodes, electrode structure designs, and electrode material modifications. A mechanism that improved the electricity generation performance was also  discussed.  Finally,  carbon-based  electrode  materials  might  provide  theoretical  guidance  for  preparing  anode  materials  with  high electrochemical activity. KEY WORDS    microbial fuel cell；anode electrode；carbon nanomaterials；electrode modification；biocompatibility 随着资源的过度使用和环境问题的频繁发 生，开发新的可持续性能源技术迫在眉睫. 微生物 燃料电池 （ Microbial  fuel  cells， MFCs）具有降解 污水中的有机物同时产生电能的双重功能，受到 研究者的广泛关注[1] ，大多数的研究主要集中在 MFCs 处理有机废物方面. 作者利用 MFCs 技术处 理直接大红模拟废水，同步降解染料废水并回收 能源，连续运行 48 h 后，对直接大红的脱色率达到 了 38.6%，输出功率为 6.5 mW·m−2[2] . 利用 MFCs 处 理含铜废水，研究表明阴极可以析出 Cu2O，最大 输出功率为 114.42 mW·m−2[3] . 通过改变电子受体 探究 MFCs 的产电性能，能达到的最大输出功率 为 385 mW·m−2[4] . 尽管 MFCs 在废水处理领域具 有一定的应用 ，但目前较低的产电性能限制了 MFCs 的扩大化应用，降低投入成本、提高产出 效率是 MFCs 研究的重要方向. 阳极作为微生物 的载体及电化学反应活性的位点，是影响 MFCs 产 电性能的重要因素，设计具有生物相容性和高导 电率的阳极材料对提高 MFCs 产电输出具有重要 意义. 1    MFC 工作原理及碳基材料简介 典型的双室 MFCs 包括阳极室、阴极室，两室 之间用质子膜进行分割，在阳极室主要进行微生 物在电极上的附着生长、有机物的分解代谢、微 生物−阳极间的电子传递，H +通过质子交换膜到达 阴极，电子通过外电路到达阴极，在阴极发生还原 反应[5] ，如图 1 所示，图中 PEM 表示质子交换膜， 以葡萄糖为电子供体，氧气为电子受体，其反应 如下： 阳极反应 : CH3COO−+4H2O → 2HCO3 −+9H++8e− 阴极反应 : O2+4H++4e− → 2H2O 碳基材料是应用最广泛的电极材料，常用的 碳基材料有石墨片、碳布、碳纸及炭毡（图 2），它 们具有较好的导电性和化学稳定性，但由于这些 材料大部分是二维结构，能够为微生物提供的附 着面积较小，且部分材料电化学反应活性位点有 限，因而活性表面积受限，导致 MFCs 启动速度缓 慢[6] . 对碳材料进行改性，提高电极材料的比表面 积，降低电极内阻，为胞外电子传递提供更多的附 着位点，符合 MFCs 设计的需要，本文主要介绍了 纳米碳基材料的合成和纳米材料修饰电极的方 法，为提高 MFCs 的产电性能提供指导. 2    碳基电极材料合成与改性 对碳基电极进行改性主要是为了提高电极材 Anode chamber Microorganism PEM Acceptor (O2 ) Resistor Cathode chamber e − e − e − e − H+ H+ H+ H+ 图 1    微生物燃料电池原理示意图 Fig.1    Schematic diagram of microbial fuel cell Graphjite flake Carbon paper Carbon cloth Carbon flake 图 2    常用的碳基电极材料照片 Fig.2    Optical photograph of common carbon-based electrode material 刘远峰等： 微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展 · 271 ·