《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Anode materials challenging selections for microbial fuel cell applications
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微生物燃料电池（MFCs）阳极材料优化研究综述，聚焦纳米材料整合、生物功能化及废料衍生材料提升电子转移效率与功率密度，突破低产、高成本及稳定性瓶颈，为规模化应用提供策略
Ineesha Piumali Madhushika | Dayani Pavalakumar | Chami Nilasha Kahakachchi Patabendige | Lanka Jeewanie Samarakoon Undugoda | Jianjun Ma | Cairong Jiang | Abul Kalam Azad | Jung Hyun Kim | Abdalla Mohamed Abdalla | Mostafa Ghasemi
斯里贾耶瓦德内普拉大学（University of Sri Jayewardenepura）工程学院科技系，斯里兰卡Nugegoda市Gangodawila
摘要
微生物燃料电池（MFCs）利用细菌将有机废物转化为电能，为能源生产和废水处理提供了一种可持续的方法。阳极作为关键组件，控制着微生物的附着和细胞外电子转移（EET），直接影响功率输出、启动时间和耐用性。尽管具有潜力，但MFCs仍面临功率密度低和材料成本高的挑战，这阻碍了其商业化。本文综述了阳极材料优化的最新进展，重点关注增强阳极-微生物界面的策略。纳米材料（如石墨烯和碳纳米管）的集成提高了表面积和导电性，从而提升了EET效率。通过使用氧化还原介质（例如醌类）和肽涂层进行生物功能化处理，可以增强微生物的附着能力，聚苯胺纳米纤维的功率密度可达1091 mW/m2。竹炭等废弃物衍生材料提供了经济高效且环保的替代方案。表面改性（包括电化学活化）进一步提升了生物相容性和EET性能。然而，材料的可扩展性、在不同废水条件下的稳定性以及潜在的纳米材料毒性等问题仍然存在。未来的研究方向包括开发低成本复合材料和智能生物材料，以确保耐用性和可扩展性。这些进展对于实现MFCs在可持续能源生产和环境修复中的潜力至关重要，为实际的大规模应用铺平了道路。
引言
微生物燃料电池（MFCs）是一种有前景的生物电化学技术，它利用产电细菌将有机废物转化为电能，同时解决了能源短缺和废水处理问题[1,2]。MFCs效率的核心在于阳极，阳极是微生物附着和细胞外电子转移（EET）的接口，直接影响功率密度、启动时间和长期稳定性[2,3]。尽管取得了进展，但由于持续存在的挑战（如先进阳极的功率输出仅为50 mW/m2以及生物相容性不佳导致的生物膜不稳定[4,5]），商业化仍难以实现。传统的碳基阳极（如石墨布）虽然价格便宜，但表面积有限（约100 m2/g）且EET动力学较差；而石墨烯和碳纳米管等纳米材料虽然性能优异（功率密度可达36 W/m2），但存在可扩展性和毒性风险[1,6]。最近的发展进一步丰富了阳极材料的选择，包括基于MXene的复合材料（具有优异的导电性和生物膜附着性[7]）、金属有机框架（MOFs）（具有高孔隙率）以及来自藻类/蓝细菌的生物炭（环保且表面积大[8],[9],[10]）。这些创新使得3D MXene@Ni泡沫阳极的功率密度达到947 mW/m2，绿色纳米GO涂层的功率密度达到12.46 W/m2，自2022年以来取得了快速进展。试点规模和集成系统的应用也证明了MFCs的可行性，连续流动式MFC（CW-MFC）混合物可去除超过90%的COD，并产生200–500 mW/m2的功率[11]。生命周期评估（LCA）研究表明，生物质衍生阳极相比合成纳米材料可减少50–80%的全球变暖潜力（GWP）[12]。本文综合了这些进展，强调了在实际应用中成本、毒性和可扩展性之间的权衡（见表8、表9）。
阳极
选择用于阳极的材料必须具有导电性，并且对阳极室内的电解质（阳极液）具有环境友好性和化学惰性。MFCs中常用的电极材料包括石墨板、石墨棒、石墨毡电极、石墨颗粒、碳布和不锈钢等[1]。通常，价格较低的电极材料...
微生物燃料电池中的阳极材料
阳极是微生物燃料电池（MFCs）中的关键组件，它促进电活性细菌对有机底物的氧化，并实现电子向电极的转移。阳极材料的选择显著影响MFC的性能，包括功率输出、启动时间和耐用性，因为它直接影响微生物的附着和细胞外电子转移（EET）效率[2]。理想的阳极材料应具有高电导率、良好的生物相容性...
优化微生物燃料电池中的阳极-微生物界面
微生物燃料电池（MFCs）的性能取决于阳极-微生物界面的效率，即电活性细菌在阳极表面的附着以及从有机底物氧化中产生的电子的转移。优化这一界面对于提高功率输出、加快启动时间和改善耐用性至关重要，这是实现MFC商业化的关键障碍。本节探讨了针对性的策略，包括纳米材料集成、生物功能化和...
阳极材料的最新进展
阳极材料的最新进展显著提升了微生物燃料电池（MFCs）的性能和效率。例如，聚苯胺纳米纤维等创新材料的开发增加了表面积和导电性，从而提高了细菌的附着能力和电子转移效率，实现了更高的功率密度。此外，还探索了使用悬浮碳毡颗粒作为阳极的方法，为生物膜的形成提供了更大的表面积，进一步提升了...
阳极材料的关键挑战
在MFCs中实现微生物与阳极之间的高效电子转移仍然是一个重要挑战。虽然材料改性旨在提高表面导电性，但这些技术往往会增加生产成本。最近的研究探索了增强细胞外电子转移（EET）到阳极的策略，如表面改性和使用导电材料。然而，在性能提升和成本效益之间找到平衡仍然是一个关键问题...
未来考虑与展望
微生物燃料电池（MFC）阳极的发展未来取决于如何在机械强度和电导率之间找到平衡，同时确保在不同环境条件下的稳定性。材料科学和生物工程的进步为解决这些挑战提供了创新方案。最近的研究探索了使用纳米材料改性碳基阳极，以提升其机械和电学性能...
MFC阳极开发的SWOT分析
图4中的SWOT（优势、劣势、机会和威胁）分析全面评估了MFC阳极的发展，突出了影响其进展和潜在商业化的关键因素。
优势：
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可再生能源：MFCs利用废水中的有机物质发电，提供了一种可持续且环保的能源选择。例如，Halim等人（2021年）强调了MFCs作为能源回收和...
结论
本文表明，阳极优化在提升MFC可行性方面起着关键作用，纳米结构材料（如石墨烯（2.67 W/m2）和MWCNT/CNF（36.22 W/m2）通过改善EET和附着作用，使功率输出提高了10-100倍。生物功能化（例如PANInf：功率提升40%）和废弃物衍生材料（竹炭：1.65 W/m2，成本5-15美元/m2）提供了经济高效的途径，同时权衡和缓解措施指导了可持续设计。这些进展为MFCs在现实世界中的应用奠定了基础...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
