工程科学学报.第42卷.第3期：270-277.2020年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.3:270-277,March 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.27.008;http://cje.ustb.edu.cn 微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展 刘远峰12)，张秀玲12，李从举12)回 1)北京市工业典型污染物资源化处理重点实验室，北京1000832)北京科技大学能源与环境工程学院.北京100083 ☒通信作者，E-mail:congjuli@126.com 摘要微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)是一种绿色能源技术，通过微生物的催化氧化代谢污水中的有机物同时 产生电能，具有清洁环境和产电的双重优势，为可生物降解及可循环利用的废弃物转变成清洁能源提供了潜在的机会，在环 境治理和能源利用方面表现出较好的应用前景.然而，目前相对较低的产电效率限制了MFCs的实际应用，其中阳极电极是 产电微生物富集和传递电子的重要场所，与电池极化、电子导电性、生物相容性密切相关，是影响电池性能和运行成本的关 键因素.碳纳米材料具有导电性好、比表面积大、孔隙率高、成本低等特点，被认为是微生物燃料电池重要的阳极材料，得到 了广泛的研究和关注.本文主要从阳极电极种类、电极结构设计和电极材料改性等方面总结改善电极生物相容性、增加产电 微生物附着量、提高反应活性位点的方法，并对提高产电性能的机理进行论述.最后对碳基电极材料进行展望，以期为制备 高电化学活性的阳极材料提供理论指导. 关键词微生物燃料电池：阳极电极；碳纳米材料：电极改性：生物相容性 分类号TM911.45 Advances in carbon-based anode materials for microbial fuel cells LIU Yuan-feng ZHANG Xiu-ling2).LI Cong-ju2 1)Key Laboratory of Resource-oriented Treatment of Industrial Pollutants,Beijing 100083,China 2)School of Energy and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:congjuli@126.com ABSTRACT The overuse of resources and the frequent occurrence of environmental problems have necessitated the use of sustainable energy technologies.The microbial fuel cell (MFC)is a kind of green energy-generation technology that metabolizes the organic compounds in wastewater by the catalytic oxidation of microorganisms.This new technology provides the dual advantages of cleaning the environment and generating electricity.As MFCs can potentially convert biodegradable and recyclable wastes into clean energy,they are a promising application prospect in environmental treatment and energy utilization.However,the practical applicability of present- day MFCs is limited by their low power-generation efficiency.Anode electrodes can enrich the power generation and electron transfer of microorganisms,but require high polarization,electronic conductivity,and biological compatibility with the fuel cell.Broadly speaking, the anode electrode affects the performance and operating costs of an MFC.Commonly used carbon-based materials include graphite sheets,carbon cloths,carbon paper,and carbon felt.However,most of these materials are two-dimensional structures providing few attachment sites for microorganisms;other materials have few reactive sites,which limits their electrochemical reactive surface areas and slows the initiation of the MFC.Carbon nanomaterials have been extensively researched for their high electrical conductivity,large specific surface area,high porosity,and low cost.All of these properties are demanded in the anode materials of MFCs.This paper summarized and analyzed methods for improving the biological compatibility of electrodes,increasing the adhesion of electrically- 收稿日期：2019-09-27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51973015,51503005,21274006)：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(06500100)：北京市 科技北京百名领军人才工程资助项目(Z161100004916168)微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展 刘远峰1,2)，张秀玲1,2)，李从举1,2) 苣 1) 北京市工业典型污染物资源化处理重点实验室，北京 100083    2) 北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083 苣通信作者，E-mail：congjuli@126.com 摘    要    微生物燃料电池（Microbial fuel cells, MFCs）是一种绿色能源技术，通过微生物的催化氧化代谢污水中的有机物同时 产生电能，具有清洁环境和产电的双重优势，为可生物降解及可循环利用的废弃物转变成清洁能源提供了潜在的机会，在环 境治理和能源利用方面表现出较好的应用前景. 然而，目前相对较低的产电效率限制了 MFCs 的实际应用，其中阳极电极是 产电微生物富集和传递电子的重要场所，与电池极化、电子导电性、生物相容性密切相关，是影响电池性能和运行成本的关 键因素. 碳纳米材料具有导电性好、比表面积大、孔隙率高、成本低等特点，被认为是微生物燃料电池重要的阳极材料，得到 了广泛的研究和关注. 本文主要从阳极电极种类、电极结构设计和电极材料改性等方面总结改善电极生物相容性、增加产电 微生物附着量、提高反应活性位点的方法，并对提高产电性能的机理进行论述. 最后对碳基电极材料进行展望，以期为制备 高电化学活性的阳极材料提供理论指导. 关键词    微生物燃料电池；阳极电极；碳纳米材料；电极改性；生物相容性 分类号    TM911.45 Advances in carbon-based anode materials for microbial fuel cells LIU Yuan-feng1,2) ，ZHANG Xiu-ling1,2) ，LI Cong-ju1,2) 苣 1) Key Laboratory of Resource-oriented Treatment of Industrial Pollutants, Beijing 100083, China 2) School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: congjuli@126.com ABSTRACT    The overuse of resources and the frequent occurrence of environmental problems have necessitated the use of sustainable energy  technologies.  The  microbial  fuel  cell  (MFC)  is  a  kind  of  green  energy-generation  technology  that  metabolizes  the  organic compounds in wastewater by the catalytic oxidation of microorganisms. This new technology provides the dual advantages of cleaning the environment and generating electricity. As MFCs can potentially convert biodegradable and recyclable wastes into clean energy, they are a promising application prospect in environmental treatment and energy utilization. However, the practical applicability of present￾day MFCs is limited by their low power-generation efficiency. Anode electrodes can enrich the power generation and electron transfer of microorganisms, but require high polarization, electronic conductivity, and biological compatibility with the fuel cell. Broadly speaking, the anode electrode affects the performance and operating costs of an MFC. Commonly used carbon-based materials include graphite sheets,  carbon  cloths,  carbon  paper,  and  carbon  felt.  However,  most  of  these  materials  are  two-dimensional  structures  providing  few attachment sites for microorganisms; other materials have few reactive sites, which limits their electrochemical reactive surface areas and slows  the  initiation  of  the  MFC.  Carbon  nanomaterials  have  been  extensively  researched  for  their  high  electrical  conductivity,  large specific  surface  area,  high  porosity,  and  low  cost.  All  of  these  properties  are  demanded  in  the  anode  materials  of  MFCs.  This  paper summarized  and  analyzed  methods  for  improving  the  biological  compatibility  of  electrodes,  increasing  the  adhesion  of  electrically- 收稿日期: 2019−09−27 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (51973015，51503005，21274006)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（06500100）；北京市 科技北京百名领军人才工程资助项目（Z161100004916168） 工程科学学报，第 42 卷，第 3 期：270−277，2020 年 3 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 3: 270−277, March 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.27.008; http://cje.ustb.edu.cn