微生物燃料电池MFC的研究现状

菜单

MFC的研究现状1 阳极、阴极及膜（1）阳极对碳纸、石墨和碳毡三种阳极材料的产电性能比较表明，阳极比表面积越大，表面电位越低，则生物量越高，内阻越小[4]。将石墨和碳毡作为阳极填料，组装成填料型MFC时，碳毡作为填料时，最大功率密度为1502 mW/m2，优于石墨；将碳毡与碳纸烧结为一体，最大功率密度可上升到2426 mW/m2[5]。在空气阴极MFC中用氨气预处理碳布阳极，可以大幅增强细菌对电极的附着，显著提高功率密度[6]。在单室MFC阳极生物膜覆盖率不同情况下（0.44%，96%）系统产电的研究表明，96%覆盖率下，电池比功率、有机物去除率等优于其它情况，说明阳极的生物膜对于胞外电子传递起到关键作用[7]。63854

除了常用的碳电极和石墨电极，也有研究者参考厌氧滤池设计理念，在阳极室中采用了不锈钢网作为电极，但实验发现，金属表面的催化性能对产电的影响要大于金属本身的活泼性的影响[8]。

（2）阴极

传统的催化剂Pt价格昂贵，且容易中毒失效。空气阴极MFC中，阴极载铂面面向空气和溶液时，最大功率分别为0.144 mW和 1.16 mW，最大输出电压分别为0.400 V和0.500 V。其面向溶液时，阴极内表面形成一层生物膜，库仑效率增加，系统内阻较低[9]。采用FePc和CoTMPP两种催化剂替换原有的传统催化剂Pt，对MFC的阴极进行改性，可获得相当的效果[10]。向单室MFC中的空气阴极表面添加碳/聚四氟乙烯涂层，可以改进电极结构并减少阴极渗水；添加4层时，最大功率密度和库仑效率分别增加42%和200%[11]。对单室无介体MFC阴极板中铁离子含量对产电影响的研究发现，电能的输出主要依赖吸附在电极表面的细菌形成的生物膜，而与悬浮在溶液中的细菌基本无关[12]。

对阴极进行优化的一个新方向是采用生物阴极。Chen等在两室MFC中采用了生物阴极，两个月启动期后产电量达19.53 W/m3，但是阴极微生物的功能还不清楚[14]。Zhang等向阳极和阴极分别加入厌氧及好氧污泥进行接种，9天后MFC启动，功率密度可达24.7 W/m3，并提出该电池中阴极为限制因子[15]。

（3）膜

质子交换膜是MFC重最常用的膜。对阳离子交换膜（CEM）、阴离子交换膜（AEM）、质子交换膜（PEM）和超滤膜在MFC中的研究表明，AEM获得的功率密度和库仑效率最高。这些膜对低内阻的MFC的最大功率密度有影响，而对高内阻MFC无影响；使用膜的最大优点是增加库仑效率[16]。虽然在MFC的研究中广泛使用膜，但其价格较高且存在膜污染的问题，从工程经济角度考虑，未来的发展趋势是不再使用膜。论文网

2 MFC中的产电微生物

在微生物燃料电池中，由于接种物和基质的来源不同，形成的微生物种群也有很大的差异。目前，对于可与电极作用的微生物命名尚未标准化。微生物燃料电池阳极中，常见的微生物为α-，β-，γ- 以及δ-Proteobacteria，Firmicute，Acidobacteria等[17]。

采用污水、污泥接种电池阳极，对混合细菌产电进行的研究较多。在酸性条件下，用选择性培养的产氢混合菌种对合成化学废水产电进行研究，COD去除率62.9%；最大功率输出0.198 W/kgCODR[18]。崔龙涛等以破碎厌氧颗粒污泥上清液接种，以城市污水为试验用水时，功率密度达117.5 mW/m2[19]。Jung等以醋酸，乳酸和葡萄糖为基质研究了电池阳极的微生物种群，发现所有种群的序列均与Geobacter sulfurreducens以及非培养的Bacteroidetes高度相似。光照条件下，利用富集光合细菌在MFC中产电，获得2650 mW/m2的功率密度，该研究表明，微生物分泌的含有吲哚基团的介体辅助了电子传递[20]。

许多研究者也采用纯菌进行了产电研究。将制糖废水中分离出来的Clostridium sp.用于接种MFC阳极，并将微生物物理吸附、或共价联接在电极上，采用循环伏安法证明了酵母菌Hansenula anomala能够直接传递电子，并分析了微生物胞外氧化还原酶。采用循环伏安法对厌氧培养的菌株S12进行曲线扫描，证明其具有一定电化学活性[21]。另外，利用Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae) strain L17构建MFC，实验证明，该菌在燃料和电极之间进行了直接电子传递[22]。但是以嗜酸细菌Acidiphilium cryptum构建MFC，采用铁作为介体，pH值≤4.0，实验条件下未发现微生物到阳极的直接电子传递现象[23]。