《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Recent advances in abiotic and biotic cathodes for microbial energy generation systems
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微生物燃料电池（MFCs）阴极材料研究综述：比较分析生物与非生物阴极的催化性能、成本及可持续性，指出生物阴极（微生物/酶/光催化藻类）在多功能性（同步发电、污染物去除、CO?资源化）上的优势，非生物阴极（如铁-碳、钴-碳催化剂）成本低且氧还原活性高。研究强调需整合可持续催化剂、混合设计及系统强化策略以提升MFC规模化应用。
Wilgince Apollon | Iryna Rusyn | Willis Gwenzi | Yamini Mittal | Nhamo Chaukura | Chikashi Sato | Sathish-Kumar Kamaraj
应用科学与先进技术研究中心（CICATA），墨西哥国立理工学院（IPN），坦皮科-阿尔塔米拉工业港公路14.5公里处，Manzano街，阿尔塔米拉工业区，阿尔塔米拉，89600，墨西哥
摘要
全球对低碳能源和循环废水管理的日益增长的需求，加剧了对生物电化学系统（BESs）的兴趣，尤其是微生物燃料电池（MFCs）。在MFCs中，微生物通过氧化阳极表面的底物来产生电能，而阴极则控制最终的电子接受反应，可以使用非生物催化剂或生物驱动的生物阴极。本综述总结了非生物（贵金属、非贵金属、纳米碳和光催化）和生物（酶、微生物和藻类）阴极在微生物能源生成系统中的最新进展。比较评估表明，生物阴极在多功能性方面优于非生物阴极，能够同时实现电力生产、污染物去除和二氧化碳（CO2）的增值。同时，非贵金属Fe-N-C和Co-N-C催化剂以低成本提供了高氧气还原反应（ORR）活性。混合阴极概念、材料循环利用、太阳能驱动的ORR和电-Fenton途径进一步扩展了性能范围，使得BESs更具可扩展性。关键挑战包括耐久性、pH稳定性、电子转移限制和生态高效制造。需要战略性地整合可持续催化剂、混合设计以及系统级优化，以使MFC阴极成为可再生能源组合和净零废水处理的可行选择。
引言
全球能源需求的增长，以及对可持续和环境友好解决方案的迫切需求[1,2]，推动了人们对微生物能源生成系统的兴趣。这些系统通过微生物代谢途径将有机底物转化为能源，提供了一种可持续的能源满足方式[3]。过度使用化石燃料会释放温室气体（GHG），如CO2，这是全球变暖的主要因素[4]。减少温室气体排放同时提高能源产出是当前环境政策的核心[5]，对于促进可持续发展至关重要。开发创新技术和实践对于降低温室气体排放和提高能源效率至关重要[5]；随着全球能源需求的增加，协调增长和可持续性变得越来越重要[6]。微生物燃料电池（MFCs）是旨在替代化石燃料的微生物能源生成系统的关键示例[7]。它们因能够通过作为生物催化剂的电化学活性细菌（EABs）将有机物的化学能转化为电能而受到广泛研究[8]。MFCs的另一个重要特点是它们能够高效转化传统废物（例如，粗甘蔗废水、原始蒸馏废水）和非传统底物（例如，原始人类和牲畜尿液、农场粪便、含碳氢化合物的废水以及富含木质素的工业木材废物），同时产生生物电能，文献中报道使用植物废物的MFCs的功率密度可达到88,990 mW m2[9]。此外，如Rusyn所述，MFCs可以通过增强电子传输、诱导细胞压力、调节气体平衡和营养物质可用性来促进微藻生物量的增加和生物柴油生产的脂质积累[10]。因此，将MFCs与藻类光生物反应器结合使用可以成为提高生物柴油生产力的有效策略。
阴极对MFCs的效率至关重要，它是平衡阳极氧化反应并控制能量产出和稳定性的场所[11]。尽管取得了进展，但为了改善电子转移、经济性和可持续性，MFC阴极材料和设计的优化仍然是一个突出的挑战[12]，这激励了持续的研究以提高MFC的可行性。MFC阴极分为两类：非生物和生物[13]。非生物阴极使用诸如稀有但高效的铂（Pt）、经济型非贵金属电催化剂[14,15]、碳基材料[16,17]和复合材料[18,19]来促进电子转移并减少对电子受体的需求[20]。为了降低成本，人们积极探索非贵金属替代品，如过渡金属氧化物和导电聚合物[21]，而碳基选项因其表面积和导电性而受到重视。先进技术，包括Fenton反应和光催化[22,23]，进一步提高了性能。相比之下，生物阴极依赖于细菌[24]、酶[25]和光合生物[26]进行电子转移和还原。酶阴极使用分离的氧化还原酶来催化特定的还原反应，具有高选择性但操作稳定性有限，而微生物阴极使用能够进行细胞外电子转移（EET）、自我再生的整个电活性微生物，并表现出更广泛的代谢多样性。酶和微生物阴极利用独特的生物过程[27,28]，同时将藻类[29,30]和植物[31]纳入阴极配置已成为提高能源生成的有希望的策略[32]。可扩展性在很大程度上取决于合适的、可持续的阴极材料，这突显了需要成本效益高、环境友好的解决方案。对于生物阴极而言，可扩展性越来越多地受到蛋白质工程、纳米结构导电材料和绿色合成策略的进步的影响，这些进步提高了酶系统的稳定性和电子转移能力，以及代谢和基因工程在提高细胞外电子转移、鲁棒性和微生物生物阴极的污染物去除能力方面的进展。尽管对阴极材料进行了大量研究，但很少有综述全面评估生物、酶、微生物和光合（藻类和植物辅助）生物阴极的分类、优势和局限性，或探讨生物策略与非生物组件之间的相互作用如何影响其长期可扩展性。为了填补这一空白，我们提供了关于微生物能源生成系统中非生物和生物阴极的全面概述。在本综述中，我们研究了各种类型的阴极，包括贵金属和非贵金属电催化剂、碳基材料、酶和微生物阴极以及利用藻类和植物的光阴极。我们还讨论了每种类型的独特特性和挑战；本综述旨在提供关于阴极技术当前研究和开发状态的见解。此外，我们强调了在扩大阴极材料规模时可持续性的重要性，并讨论了材料选择和生产过程的环境影响，与现有文献进行了比较。
方法论
本综述重点介绍了过去十年的关键进展，重点是创新催化剂、可持续材料和技术，这些技术可以延长产品寿命、降低成本并确保可靠运行。搜索了Web of Science、Scopus和Google Scholar等数据库中关于各种阴极材料（如非生物、生物、酶、微生物和光阴极）的研究。分析重点关注实验方法、材料合成、电化学测试和能量输出。
非生物阴极：材料类别和可持续性权衡
科学家们主要使用非生物阴极进行MFC/MES的突破性研究，因为它们允许在受控条件下研究ORR动力学、电极条件和催化剂活性。非生物阴极在可持续性方面差异很大；贵金属活性高但成本高且对环境有负面影响，而非贵金属替代品（如碳纳米结构、Fenton系统和光阴极）虽然成本较低，但面临稳定性、污染、光依赖性和放大问题。
非生物阴极与生物阴极的生命周期评估（LCA）比较
LCA研究一致表明，MFCs的环境足迹很大程度上受阴极材料选择的影响，与阴极相关的影响通常占整个系统负担的主导地位[349,350]。尽管如此，直接对比多种阴极的LCA仍然很少。到目前为止，Akinbuja等人[350]是唯一一项在共享功能单元和共同系统边界内定量比较非生物和生物阴极的同行评审研究（表8）。大多数其他研究
未来展望：扩大规模和研究需求
MFCs可以从实验室设置扩展到家庭、机构和集中式系统[375]。实现这一目标需要仔细的材料选择、稳健的设计配置和操作参数的优化[[377], [378], [379]]。每种阴极类型都带来了影响成本、寿命和性能的不同机会和挑战。总体而言，虽然非生物阴极目前因效率而占主导地位，但生物阴极提供了长期可持续性和集成性
结论
实施微生物燃料电池系统的主要障碍是提高阴极性能。在非生物阴极方面取得了显著进展，特别是贵金属和非贵金属电催化剂在提高催化活性方面。然而，它们的成本、耐久性和可持续性仍然是一个问题。生物阴极，如酶阴极、微生物阴极或藻类阴极，具有可持续性、自我生成和多功能性（例如，污染物去除和资源回收）等优势
CRediT作者贡献声明
Wilgince Apollon：概念构思、方法论、分析、初稿撰写、审阅与编辑。Iryna Rusyn：方法论、分析、撰写、审阅与编辑。Willis Gwenzi：方法论、验证、撰写、审阅与编辑。Yamini Mittal：方法论、撰写、审阅与编辑。Nhamo Chaukura：撰写、审阅与编辑。Chikashi Sato：验证、撰写、审阅与编辑。Sathish-Kumar Kamaraj：概念构思、方法论、监督、项目管理
人工智能使用声明
在准备这篇综述文章期间，作者使用了人工智能辅助的语言编辑工具来改进手稿的逻辑流畅性、一致性和可读性。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对最终发表的文章负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
WA希望感谢科学、人文、技术和创新秘书处（西班牙语缩写SECIHTI）通过博士后奖学金（授予编号：4500144/参考编号：878025）提供的支持，同时也感谢墨西哥国立理工学院（IPN）的应用科学与先进技术研究中心（CICATA, Altamira）的支持。S.K.K.还想感谢研究与发展秘书处、墨西哥国立理工学院的资助机构
