274 工程科学学报，第42卷，第3期 量，应用该材料作为MFCs阳极，最大输出功率密 产电性能有了极大提高，电极内阻减小，且对药物 度为23.6Wm3,是碳布阳极MFCs(10.4Wm3) 活性化合物有较高的去除效率.Sekar等B采用摻 的2.3倍.此外，3D打印技术合成大孔径碳基电极 杂铜的氧化铁纳米颗粒修饰碳纸电极并作为MFCs 材料是微生物生长的理想载体，Chang等I用常 的阳极，极大的改善了电极的电化学性能.Quan等2 压等离子体射流法对碳布进行改性，使得碳布电 将钯纳米颗粒负载在碳布电极上作为MFCs的阳 极更具有亲水性，增强了微生物与水中有机物的 极，应用于偶氮染料废水的降解，纳米钯修饰后的 流动性 碳布电极上微生物的富集量明显升高，电荷转移 2.2碳基表面修饰材料 内阻明显降低，输出功率密度是碳布电极MFCs 对碳基材料表面进行修饰提高MFCs的产电 的3.8倍.因此，基于纳米金属离子的优异特性，如 性能，可以分为纳米金属材料修饰和纳米导电聚 高催化活性，生物相容性，未来需要继续探究内阻 合物修饰，纳米金属材料的高催化活性网和纳米 小，无细胞毒性，成本低廉，易于合成的纳米金属 导电聚合物的高导电性，引起了研究者的极大兴趣 材料，将其应用在MFCs中，提高产业价值 2.2.1纳米金属材料及其复合物 2.2.2纳米导电聚合物 用纳米金属复合材料或其氧化物修饰电极 基于纳米导电聚合物优良的导电性和环境耐 后，由于改善了细菌富集性能和降低了电极欧姆 久性，将其作为MFCs阳极修饰材料引起了研究者 损失，从而显著提高了MFCs性能阿此外，针铁 的很大兴趣，修饰的电极材料能够促进微生物的 矿、金红石等金属氧化物不仅可以增强MFCs中 富集能力，进而增强MCs的产电性能刘常用 长距离电子传输效率，还可以促进化学营养菌和 来修饰阳极的纳米导电聚合物材料有聚苯胺，聚 异养菌的生长.与碳基材料结合形成纳米复合 吡咯，聚多巴胺等.Zeng等3用普通廉价废棉织 材料的金属，研究较多的包含钛(Ti)、钯(Pd)、锰 物及聚多巴胺为原料，经原位聚合和炭化处理，制 (Mn)、铁(Fe)等单质及其氧化物 得一种新型大孔、生物相容性好、导电性能好、成 Yu等27分别将纳米Fe3O4及膨润土Fe修饰 本低的炭化聚多巴胺改性棉织物电极，与炭毡电 炭毡电极作为MFCs的阳极，输出功率密度较未 极相比，输出功率密度提高了80.5%.Wang等B 改性电极MFCs提高了两倍，并且修饰后的电极内 首先采用简便的热分解法制备了具有蜂窝状大孔 阻明显降低.Zeng等2sI通过简单的共沉淀和煅烧 结构的柠檬酸钠衍生碳，并将该材料负载在碳纸 方法合成了一种新型双组分复合多孔纳米No.1 电极上，然后采用聚苯胺纳米粒子原位聚合法制 Mo.gO1.45微椭球形状的阳极催化剂，该材料促进 备了一种新型电极（图6），使得MFCs的电流密度 了阳极与微生物之间的胞外电子转移，从而提高 大大提高，这归因于柠檬酸钠衍生碳较高的生物 了MFCs的性能，输出功率密度为1390.02Wm2, 相容性，聚苯胺良好的亲水性，提高了电活性微生 明显高于炭毡作为阳极MFCs的产电性能.Taskan 物与电极的相互作用 等制备了NiTi合金电极，明显降低了电荷传递 Lu等B切采用原位聚合的方法将导电聚苯胺 内阻，显著改善了MFCs的运行稳定性能.Xu等o 负载在碳布电极上，交流阻抗测试分析表明，纳米 分别探究了MnO2、Pd、FeO4修饰碳布应用于 聚苯胺修饰碳布电极降低了电荷传递内阻，输出 MFCs中对药物活性化合物的去除情况及产电情 功率密度提高了6.5倍.Yin等3将聚苯胺(PANI) 况（图5），阳极经过纳米金属材料修饰后，MFCs的 与TO2混合制备了纳米改性材料，将该混合材料 (c) 5.0kV7.4mm 图5修饰碳布电极扫面电镜图网.(a)MnO2:(b)Pd:(c)Fe,O4 Fig.5 SEM images of carbon felt electrode:(a)MnOz:(b)Pd:(c)FeO量，应用该材料作为 MFCs 阳极，最大输出功率密 度为 23.6 W·m−3，是碳布阳极 MFCs（ 10.4 W·m−3） 的 2.3 倍. 此外，3D 打印技术合成大孔径碳基电极 材料是微生物生长的理想载体，Chang 等[23] 用常 压等离子体射流法对碳布进行改性，使得碳布电 极更具有亲水性，增强了微生物与水中有机物的 流动性. 2.2    碳基表面修饰材料 对碳基材料表面进行修饰提高 MFCs 的产电 性能，可以分为纳米金属材料修饰和纳米导电聚 合物修饰，纳米金属材料的高催化活性[24] 和纳米 导电聚合物的高导电性，引起了研究者的极大兴趣. 2.2.1    纳米金属材料及其复合物 用纳米金属复合材料或其氧化物修饰电极 后，由于改善了细菌富集性能和降低了电极欧姆 损失，从而显著提高了 MFCs 性能[25] . 此外，针铁 矿、金红石等金属氧化物不仅可以增强 MFCs 中 长距离电子传输效率，还可以促进化学营养菌和 异养菌的生长[26] . 与碳基材料结合形成纳米复合 材料的金属，研究较多的包含钛（Ti）、钯（Pd）、锰 （Mn）、铁（Fe）等单质及其氧化物. Yu 等[27] 分别将纳米 Fe3O4 及膨润土 Fe 修饰 炭毡电极作为 MFCs 的阳极，输出功率密度较未 改性电极 MFCs 提高了两倍，并且修饰后的电极内 阻明显降低. Zeng 等[28] 通过简单的共沉淀和煅烧 方法合成了一种新型双组分复合多孔纳米 Ni0.1 Mn0.9O1.45 微椭球形状的阳极催化剂，该材料促进 了阳极与微生物之间的胞外电子转移，从而提高 了 MFCs 的性能，输出功率密度为 1390.02 W·m−2 ， 明显高于炭毡作为阳极 MFCs 的产电性能. Taskan 等[29] 制备了 Ni/Ti 合金电极，明显降低了电荷传递 内阻，显著改善了 MFCs 的运行稳定性能. Xu 等[30] 分别探究 了 MnO2、 Pd、 Fe3O4 修饰碳布应用 于 MFCs 中对药物活性化合物的去除情况及产电情 况（图 5），阳极经过纳米金属材料修饰后，MFCs 的 产电性能有了极大提高，电极内阻减小，且对药物 活性化合物有较高的去除效率. Sekar 等[31] 采用掺 杂铜的氧化铁纳米颗粒修饰碳纸电极并作为 MFCs 的阳极，极大的改善了电极的电化学性能. Quan 等[32] 将钯纳米颗粒负载在碳布电极上作为 MFCs 的阳 极，应用于偶氮染料废水的降解，纳米钯修饰后的 碳布电极上微生物的富集量明显升高，电荷转移 内阻明显降低，输出功率密度是碳布电极 MFCs 的 3.8 倍. 因此，基于纳米金属离子的优异特性，如 高催化活性，生物相容性，未来需要继续探究内阻 小，无细胞毒性，成本低廉，易于合成的纳米金属 材料，将其应用在 MFCs 中，提高产业价值. 2.2.2    纳米导电聚合物 基于纳米导电聚合物优良的导电性和环境耐 久性，将其作为 MFCs 阳极修饰材料引起了研究者 的很大兴趣，修饰的电极材料能够促进微生物的 富集能力，进而增强 MFCs 的产电性能[33−34] . 常用 来修饰阳极的纳米导电聚合物材料有聚苯胺，聚 吡咯，聚多巴胺等. Zeng 等[35] 用普通廉价废棉织 物及聚多巴胺为原料，经原位聚合和炭化处理，制 得一种新型大孔、生物相容性好、导电性能好、成 本低的炭化聚多巴胺改性棉织物电极，与炭毡电 极相比，输出功率密度提高了 80.5%. Wang 等[36] 首先采用简便的热分解法制备了具有蜂窝状大孔 结构的柠檬酸钠衍生碳，并将该材料负载在碳纸 电极上，然后采用聚苯胺纳米粒子原位聚合法制 备了一种新型电极（图 6），使得 MFCs 的电流密度 大大提高，这归因于柠檬酸钠衍生碳较高的生物 相容性，聚苯胺良好的亲水性，提高了电活性微生 物与电极的相互作用. Liu 等[37] 采用原位聚合的方法将导电聚苯胺 负载在碳布电极上，交流阻抗测试分析表明，纳米 聚苯胺修饰碳布电极降低了电荷传递内阻，输出 功率密度提高了 6.5 倍. Yin 等[38] 将聚苯胺（PANI） 与 TiO2 混合制备了纳米改性材料，将该混合材料 100 nm (a) (b) (c) 图 5    修饰碳布电极扫面电镜图[30] . （a）MnO2；（b）Pd；（c）Fe3O4 Fig.5    SEM images of carbon felt electrode[30] : (a) MnO2；(b) Pd；(c) Fe3O4 · 274 · 工程科学学报，第 42 卷，第 3 期