刘远峰等：微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展 273· 容性和机械强度，可加快电子的转移速率4-)，常 Yu等9用抗坏血酸还原法制备了高电容性 被作为MFCs电极材料进行研究. 的三维石墨烯生物阳极，与碳布阳极MFCs相比， Zhou等11利用植物介导的生物还原和自组装 丰富的孔隙率显著提高了MFCs的产电性能，且大 技术，以石墨烯改性碳纸为阳极，实现了MCs阳 孔结构增强了产电菌群与电极的相互作用，最大 极的快速、绿色合成，为微生物附着和质量扩散提 输出功率密度达到了2381.44mWm2,是碳布阳 供了更大的比表面积，从桉树叶中提取的无毒、可 极MFCs的3.6倍 生物降解的生物分子作为还原剂吸附在石墨烯 2.1.3其他碳基合成材料 上，使石墨烯具有亲水性和生物相容性，作为MFCs 除了碳纳米管和石墨烯材料之外，研究人员 阳极，输出的最大功率密度为1158mWm2,相比 合成了其它大孔径的碳基材料，应用于MFCs中， 对照组，功率提高了70%.除了石墨烯改性电极之 同样提高了MFCs的产电性能.Zhang等2o采用直 外，Huang等I7采用聚苯胺(PANI)与石墨烯结合， 接热解法制备了N、P、S共摻杂的大孔碳泡沫塑料， 利用二次键合力对氧化碳布进行原位改性，极大 其中碳泡沫塑料是用面包原料炭化合成的，将该 的提高了MFCs的产电性能，MFCs输出功率密度 材料作为MFCs阳极产生的功率密度为3134mWm2, 与输出电压分别可达到884±96mWm2、573± 是碳布阳极MFCs输出功率密度的2.57倍.N、P、 37mV,较纯碳布阳极MFCs分别提高了1.9倍和 $的摻杂使得碳泡沫电极更加亲水，有利于电活性 1.3倍，生物阳极形成的弱酸性环境延迟或阻碍了 地杆菌的富集，高导电性促进了电极与细菌之间 PANI的去质子化作用，使PANI具有一定的电子 的电子转移速率.Lan等四从炭化小球藻中提取 传递电导率.Paul等1阁探讨了氧化石墨烯(GO)复 了富氮生物碳，将其负载在碳布电极上，产生了最 合多孔四面体沸石黏土作为微生物燃料电池的优 高的生物电催化电流密度(13.44土0.34Am2),分 良生物相容性阳极材料的性能（图4(a)、(b)、 别高于炭黑及碳布电极12%、22%.由于电极中含 (©))，氧化石墨烯和沸石混合材料改性炭毡并 有含氮官能团，对核黄素介质的吸附提高了电子 应用于MFCs中，产生的最大输出功率密度为 的转移速率.Chen等2a通过简单的炭化反应和活 280.56mWm2,是未改性阳极MFCs的3.6倍，改 化反应制备了具有介孔和微孔结构的板栗壳阳极 性后的电极显著降低了欧姆内阻，提高了电子传 材料，该化学活化过程成功地制备了生物质大孔 递速率（图4(d)、(e). 结构，降低了生物质的阳极上的氧和吡啶氮的含 30m 20 (d) (e) -Control -GO-GO/Zeolite ◆GOGO/Zeoli 15 10 -★-Control -10 0.5. 0.5 6810121416182022242628303234 Applied voltage/V(vs Ag/AgCl) 图4扫描电镜图及电化学性能测试.(a)炭毡：(b)石墨烯/炭毡：(c)石墨烯/沸石/炭毡：(d)循环伏安测试：(e)交流阻抗测试(Z:阻抗实部.Z:阻抗 虚部)国 Fig.4 SEM micrograph and electrochemical performance test:(a)CF.(b)GO/CF:(c)GO/Zeolite/CF:(d)CV:(e)EIS(Z:real part;:imaginary part)容性和机械强度，可加快电子的转移速率[14−15] ，常 被作为 MFCs 电极材料进行研究. Zhou 等[16] 利用植物介导的生物还原和自组装 技术，以石墨烯改性碳纸为阳极，实现了 MFCs 阳 极的快速、绿色合成，为微生物附着和质量扩散提 供了更大的比表面积，从桉树叶中提取的无毒、可 生物降解的生物分子作为还原剂吸附在石墨烯 上，使石墨烯具有亲水性和生物相容性，作为 MFCs 阳极，输出的最大功率密度为 1158 mW·m−2，相比 对照组，功率提高了 70%. 除了石墨烯改性电极之 外，Huang 等[17] 采用聚苯胺（PANI）与石墨烯结合， 利用二次键合力对氧化碳布进行原位改性，极大 的提高了 MFCs 的产电性能，MFCs 输出功率密度 与 输 出 电 压 分 别 可 达 到 884±96  mW·m−2、 573± 37 mV，较纯碳布阳极 MFCs 分别提高了 1.9 倍和 1.3 倍，生物阳极形成的弱酸性环境延迟或阻碍了 PANI 的去质子化作用，使 PANI 具有一定的电子 传递电导率. Paul 等[18] 探讨了氧化石墨烯（GO）复 合多孔四面体沸石黏土作为微生物燃料电池的优 良生物相容性阳极材料的性能（图 4（ a） 、 （ b） 、 （ c） ），氧化石墨烯和沸石混合材料改性炭毡并 应 用 于 MFCs 中 ，产生的最大输出功率密度为 280.56 mW·m−2，是未改性阳极 MFCs 的 3.6 倍，改 性后的电极显著降低了欧姆内阻，提高了电子传 递速率（图 4（d）、（e）. Yu 等[19] 用抗坏血酸还原法制备了高电容性 的三维石墨烯生物阳极，与碳布阳极 MFCs 相比， 丰富的孔隙率显著提高了 MFCs 的产电性能，且大 孔结构增强了产电菌群与电极的相互作用，最大 输出功率密度达到了 2381.44 mW·m−2，是碳布阳 极 MFCs 的 3.6 倍. 2.1.3    其他碳基合成材料 除了碳纳米管和石墨烯材料之外，研究人员 合成了其它大孔径的碳基材料，应用于 MFCs 中， 同样提高了 MFCs 的产电性能. Zhang 等[20] 采用直 接热解法制备了 N、P、S 共掺杂的大孔碳泡沫塑料， 其中碳泡沫塑料是用面包原料炭化合成的，将该 材料作为MFCs 阳极产生的功率密度为3134 mW·m−2 ， 是碳布阳极 MFCs 输出功率密度的 2.57 倍. N、P、 S 的掺杂使得碳泡沫电极更加亲水，有利于电活性 地杆菌的富集，高导电性促进了电极与细菌之间 的电子转移速率. Lan 等[21] 从炭化小球藻中提取 了富氮生物碳，将其负载在碳布电极上，产生了最 高的生物电催化电流密度（13.44±0.34 A·m−2），分 别高于炭黑及碳布电极 12%、22%. 由于电极中含 有含氮官能团，对核黄素介质的吸附提高了电子 的转移速率. Chen 等[22] 通过简单的炭化反应和活 化反应制备了具有介孔和微孔结构的板栗壳阳极 材料，该化学活化过程成功地制备了生物质大孔 结构，降低了生物质的阳极上的氧和吡啶氮的含 (a) (b) (c) 100 μm 100 μm 30 μm 1 μm (d) (e) Control Control GO GO/Zeolite GO GO/Zeolite Applied voltage/V (vs Ag/AgCl) Current/mA 6 8 4 6 3 2 1 0 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Z′/Ω − Z′/Ω Z″/Ω −Z″/Ω 10 5 0 10 5 20 15 0 −5 −10 −0.5 0 0.5 图 4    扫描电镜图及电化学性能测试. （a）炭毡；（b）石墨烯/炭毡；（c）石墨烯/沸石/炭毡；（d）循环伏安测试；（e）交流阻抗测试（Z′: 阻抗实部，Z′′: 阻抗 虚部）[18] Fig.4    SEM micrograph and electrochemical performance test: (a) CF; (b) GO/CF; (c) GO/Zeolite/CF; (d) CV; (e) EIS（Z′: real part; Z′′: imaginary part） [18] 刘远峰等： 微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展 · 273 ·