刘远峰等：微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展 275· (a) um 图6电极负载微生物扫描电镜图.(a)碳纸：(b)柠檬酸钠衍生碳/碳纸：(c)聚苯胺/碳纸：()聚苯胺柠檬酸钠/碳纸 Fig.6 SEM images of microbes attached on anode:(a)carbon paper (CP);(b)sodium citrate-derived carbon/carbon paper (SC/CP);(c) polyaniline/carbon paper(PANI/CP):(d)polyaniline/Sodium citrate/carbon paper (PANI/SC/CP 负载在碳纸电极上，MFCs输出功率密度增加了 产电性能，但对MFCs产电性能的影响不同，表1 64%.Zhang等59采用脉冲电压法制备了类似刷子 对这些材料影响MFCs产电性能的理化性质，电子 的纳米聚苯胺阵列，将其修饰在碳布电极上，输出 传递机制进行了总结 功率密度增加了58.1%.Yuan等o采用水热法制 3结论和展望 备了MnO2/聚吡咯MnO2碳纳米管复合电极，与纯 碳布电极相比，该电极展现出优良的耐久性，产电 通过合成新的碳基纳米材料或在碳基材料表 性能提高了1.3倍.Li等用原位合成法制备了 面进行修饰可以增加电极比表面积，增强其导电 PANI/GO改性电极，获得的最大输出功率密度为 性能和催化性能，降低内阻，加快电子传递速率， 2073mWm2,是碳布电极的2.9倍，石墨烯及聚苯 进而显著提高MFCs的输出功率.除了上面提到 胺改性电极增加了微生物的附着量及电子转移的 的一些技术手段，还有其他的电极改性手段应用 速率，是一种优良的改性方法 于电极研发中，如利用不同材料的优点进行多种 基于导电聚合物的优良特性，必将作为MFCs 材料的混合修饰电极.对碳基电极材料的合成和 的电极改性物得到广泛研究，在中性条件下，带正 改性仍将是未来主要的研究方向.当前尚有一些 电荷的导电聚合物材料可以吸引带负电荷的微生 问题亟需解决：(I)目前的研究大多关注MFCs的 物，从而提高微生物的富集量，增强胞外电子转移 产电性能，若长期应用于水环境中，合成的碳基材 效率，不同的聚合条件下，导电聚合物的结构形 料及纳米修饰材料的环境耐久性尚不清楚，需要 貌及生物相容性有很大的差异，因而其电化学和 进一步测试：(2)纳米材料修饰电极后，电极与产 催化性能也会存在差别 电微生物之间的电子传递机制问题；(3)未来应用 综上可知，碳基纳米材料及纳米金属材料或 于污水处理中，降低电极材料的商业化制作成本 纳米导电聚合物修饰阳极可以显著提高MFCs的 的问题 表1纳米材料修饰碳基电极的特点 Table 1 Characteristics of carbon-based electrode modified by nanomaterials Name of nanomaterials Physicochemical and electrochemical properties Electron transfer mechanism Carbon-based synthetic materials:carbon Reduce the internal resistance of the electrode; nanotube;graphene;partially processed high Large specific surface area;good performance carbon material biocompatibility:good conductivity increase microbial enrichment. High capacitance;good electron transfer The synergy between the metal and the anode;conductive Nanomaterial modification:nano-metallic intermediate;faster electron transfer rate; polymers promote microbial adhesion;high conductivity material;nano-conductive polymer good stability;good biocompatibility. facilitates electron transfer.负载在碳纸电极上，MFCs 输出功率密度增加了 64%. Zhang 等[39] 采用脉冲电压法制备了类似刷子 的纳米聚苯胺阵列，将其修饰在碳布电极上，输出 功率密度增加了 58.1%. Yuan 等[40] 采用水热法制 备了 MnO2 /聚吡咯/MnO2 碳纳米管复合电极，与纯 碳布电极相比，该电极展现出优良的耐久性，产电 性能提高了 1.3 倍. Li 等[41] 用原位合成法制备了 PANI/GO 改性电极，获得的最大输出功率密度为 2073 mW·m−2，是碳布电极的 2.9 倍，石墨烯及聚苯 胺改性电极增加了微生物的附着量及电子转移的 速率，是一种优良的改性方法. 基于导电聚合物的优良特性，必将作为 MFCs 的电极改性物得到广泛研究，在中性条件下，带正 电荷的导电聚合物材料可以吸引带负电荷的微生 物，从而提高微生物的富集量，增强胞外电子转移 效率[42] . 不同的聚合条件下，导电聚合物的结构形 貌及生物相容性有很大的差异，因而其电化学和 催化性能也会存在差别. 综上可知，碳基纳米材料及纳米金属材料或 纳米导电聚合物修饰阳极可以显著提高 MFCs 的 产电性能，但对 MFCs 产电性能的影响不同，表 1 对这些材料影响 MFCs 产电性能的理化性质，电子 传递机制进行了总结. 3    结论和展望 通过合成新的碳基纳米材料或在碳基材料表 面进行修饰可以增加电极比表面积，增强其导电 性能和催化性能，降低内阻，加快电子传递速率， 进而显著提高 MFCs 的输出功率. 除了上面提到 的一些技术手段，还有其他的电极改性手段应用 于电极研发中，如利用不同材料的优点进行多种 材料的混合修饰电极. 对碳基电极材料的合成和 改性仍将是未来主要的研究方向. 当前尚有一些 问题亟需解决：（1）目前的研究大多关注 MFCs 的 产电性能，若长期应用于水环境中，合成的碳基材 料及纳米修饰材料的环境耐久性尚不清楚，需要 进一步测试；（2）纳米材料修饰电极后，电极与产 电微生物之间的电子传递机制问题；（3）未来应用 于污水处理中，降低电极材料的商业化制作成本 的问题. 表 1 纳米材料修饰碳基电极的特点 Table 1 Characteristics of carbon-based electrode modified by nanomaterials Name of nanomaterials Physicochemical and electrochemical properties Electron transfer mechanism Carbon-based synthetic materials：carbon nanotube; graphene; partially processed high performance carbon material Large specific surface area; good biocompatibility; good conductivity. Reduce the internal resistance of the electrode; increase microbial enrichment. Nanomaterial modification：nano-metallic material; nano-conductive polymer High capacitance; good electron transfer intermediate; faster electron transfer rate; good stability; good biocompatibility. The synergy between the metal and the anode; conductive polymers promote microbial adhesion; high conductivity facilitates electron transfer. 2 μm 2 μm 2 μm 2 μm (a) (b) (c) (d) 图 6    电极负载微生物扫描电镜图. （a）碳纸；（b）柠檬酸钠衍生碳/碳纸；（c）聚苯胺/碳纸；（d）聚苯胺/柠檬酸钠/碳纸[36] Fig.6     SEM  images  of  microbes  attached  on  anode:  (a)  carbon  paper  (CP);  (b)  sodium  citrate-derived  carbon/carbon  paper  (SC/CP);  (c) polyaniline/carbon paper (PANI/CP); (d) polyaniline/Sodium citrate/carbon paper (PANI/SC/CP)[36] 刘远峰等： 微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展 · 275 ·