微生物燃料电池电极材料研究进展

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1、第18卷第3期电化学Vol．18No．32012年6月JOURNALOFELECTROCHEMISTRYJun．2012文章编号:1006-3471(2012)03-0243-09微生物燃料电池电极材料研究进展111*2*次素琴，吴娜，温珍海，李景虹(1．南昌航空大学江西省生态诊断修复与污染阻断重点实验室，江西南昌330063;2．清华大学微量分析测试方法与仪器研制北京市重点实验室，化学系，北京100086)摘要:微生物燃料电池以微生物为催化剂将化学能直接转化成电能，可用于废水处理并产生电能，是一种

2、极具应用前景的生物电化学技术．本文综述了近年来微生物燃料电池电极材料的制备、功能修饰及表面构建等研究进展，着重介绍了碳基纳米材料的微结构与成分对微生物燃料电池性能的影响，并分析了微生物燃料电池电极材料现存的主要问题，以期不久的将来微生物燃料电池能付之实用．关键词:微生物燃料电池;阳极;阴极中图分类号:TQ425．21文献标识码:A微生物燃料电池(MicrobialFuelCells，MFCs)器构型、接种物来源、底物种类、质子交换膜及电［5］作为一种新兴的废水处理与产电技术，已受到研极材料等．电极材

3、料作为微生物催化反应界面，究者的重视．图1给出典型MFCs装置的示意图．其生物相容性、比表面积、导电性及化学稳定性等附着在阳极端的微生物催化氧化阳极室中的有机直接影响微生物在阳极材料上的吸附生长、微生物产生电子和质子，电子由外电路传递至阴极，质物传递电子能力、电极阻抗及阴极氧还原反应［6］子则经交换膜到达阴极室，电子、质子和电子接受(OxygenReductionReaction，ORR)的速率．而体(如溶解氧)在阴极反应生成水，电子不断地定且，作为反应器的重要组成部件，电极材料的选择［1-4］也决

4、定了污水处理的成本．因此，电极材料的设向迁移，产生外电流．MFCs输出功率密度的主要影响因素有反应计、制备和选择对优化提升MFCs的性能至关重［7］要．本文系统阐述了MFCs电极材料的制备、修饰、性质及应用．1阳极材料微生物燃料电池中阳极材料的微、纳结构以及导电性将影响微生物向电极传递电子的效率．由于微生物直接附着于阳极表面，其生物相容性对微生物培育、生长尤为重要．较复杂的MFCs阳极室环境要求阳极材料应有好的稳定性．总之，MFCs阳极材料应具备低电阻、抗腐性、好的生物相容性、高化学稳定性、大比表面

5、积以及适当的机［8-9］械强度和韧性．1．1传统碳材料图1双室微生物燃料电池装置示意图Fig．1Schematicdiagramofthedual-chamberMFCs碳纸、碳布、石墨棒、石墨纤维刷及活性碳等收稿日期:2011-12-05，修订日期:2012-03-20*通讯作者，Tel:(86-791)83863715，(86-10)62795290，E-mail:wenzhenhai@yahoo．cn，jhli@mail．tsinghua．edu．cn高等学校博士点专项基金(No．201100

6、02130007)，国家973计划项目(No．2011CB935704)，国家自然科学基金项目(No．20903055)，江西省自然科学基金项目(No．2009GZH0085)和江西省教育厅重点项目(No．GJJ09019)资助·244·电化学2012年－2［20］碳材料阳极已广泛应用．这些材料价格低廉、导电m，材料表面分析表明其O/C比率降低．性优异且耐蚀性能佳，微生物在其表面容易附着Cheng报道氨处理的碳布电极，最大输出功率达－2与生长．其中，碳纸较硬脆，易于连接导线;碳布孔1970mW·m，

7、氨处理增加了电极表面电子数［5］隙多，较碳纸柔软．两者作为平板电极的典型代量．Saito等又进一步证实电极材料的N/C比必表，可通过降低阴阳电极间的距离，提高MFCs的须限制在一定比例内，碳布电极表面的N/C比从－2性能．以碳纸阳极与载铂碳纸阴极构建的葡萄糖0．7至3．8，最大输出功率从938mW·m降至－2燃料空气阴极双室MFCs，其最大输出电压为430707mW·m．由此可知，在不影响微生物生长和－2［10］mV，最大输出功率密度为205mW·m．而以电子传递功能的情况下，碳布电极的弱氮化处理［

8、21］碳布作阳极，生活污水为底物构成的单室MFC系可极大促进带负电微生物的吸附．－2［11］统，最大输出功率密度为483mW·m．碳材料酸化处理也可提高MFCs的性能．蒽石墨导电性较好，以石磨棒和石墨毡作电极醌-2，6-二磺酸处理的石墨阳极可使埋植于海底污－2的对比研究表明，比表面积越大产电率也越高．Liu泥中的MFCs输出功率从20mW·m提升至99－2［22-23］和Logan设计的单室空气阴极MFCs，以8支石墨mW·m．Feng等用聚吡咯和蒽醌-2，6-二磺棒