JES | 提升微生物燃料电池产电性能的耦合与堆叠系统研究进展

近日，西安交通大学徐浩教授团队在期刊Journal of Environmental Sciences（Q1区，中科院2区）上发表了题为“ Research progress on coupling and stacking systems to enhance power generation performance of microbial fuel cell”的综述论文。

微生物燃料电池（MFC）在低功率输出方面面临重大挑战，这严重限制了其在实际中的应用。将MFC与其他技术耦合以及将MFC堆叠是提高功率输出的可行解决方案。近年来，MFC的耦合和堆叠技术已成为环境能源领域的研究热点。本文首先概述了MFC的基本配置，然后分析了在耦合和堆叠背景下不同配置的优缺点。随后，详细讨论了MFC与其他技术的耦合系统以及堆叠MFC的几种配置以及电压反转现象。基于这些研究，本文提出了旨在优化MFC性能、提高其从废水中回收能量潜力并支持MFC技术商业化和规模化的未来研究方向。

微生物电化学技术是一种结合生物技术与电化学优势的绿色清洁技术，通常与废水处理相结合。其基本原理是利用电活性微生物作为催化剂，将废水中污染物的化学能转化为电能或其他化合物。根据功能的不同，微生物电化学技术可分为MFC、微生物电解池、微生物脱盐电池和微生物电合成等。近年来，MFC因其在废水处理和电力生成中的优势逐渐成为研究热点，其核心优点是无需大量外部能量输入即可实现污染物的生物降解和能源同时生成。

尽管MFC技术在电力生成性能上取得了显著进展，但在实际应用中仍未完全满足高效能量转换和环境修复的需求。因此，学术界对MFC耦合系统的研究日益深入，探索将MFC与其他技术整合以增强系统性能。耦合系统理论上能够发挥协同效应，提升整体性能。此外，MFC堆叠技术也是提升发电能力的有效方法，但堆叠过程中可能出现电压反转问题，影响系统稳定性。当前研究多集中在电极材料、催化剂和质子交换膜上，而对耦合与堆叠系统的综合探讨较少。本文将重点讨论MFC的耦合与堆叠系统，探索提升MFC电力生成性能的方法，推动其在实际应用中的可行性与可靠性。

图1 反应器配置示意图。(a) 双室MFC，(b) 单室空气阴极MFC，(c) 多阴极MFC，(d) 上流MFC，以及(e) 沉积物MFC示意图

（二）基于MFC的耦合系统

尽管MFC在废水处理和能源回收方面展示了巨大的应用潜力，但其发电性能较低，且对难降解污染物的去除效率较低。因此，研究人员通常将MFC与其他技术结合，开发耦合系统，如与人工湿地、光电催化、电芬顿、膜生物反应器、电催化氧化等技术结合。以下是常见的几种MFC耦合系统的概述。

1. 人工湿地-MFC耦合系统

人工湿地（CW）是一种模仿自然湿地生态系统的绿色废水处理设施，主要由植物、微生物和有机物组成，具有独立的好氧和厌氧区域。CW-MFC系统将MFC与人工湿地技术结合，其中MFC的阳极埋设在底部的厌氧区，阴极则置于水体的上层好氧区，利用水中和大气中的氧气进行还原反应（如图2a所示）。CW-MFC结合了植物生长、根系功能和微生物降解特性，在底层介质中实现能源回收，同时减少了工程建设成本。2012年，Yadav等人首次构建了CW-MFC系统，通过处理含1000 mg/L染料的废水，达到了最高功率密度15.73 mW/m²。然而，当前的CW-MFC系统仍面临一些挑战，包括技术不成熟、操作成本高和发电性能低。尤其是能量回收率低，且能源收集过程较为复杂，因此大规模应用仍面临困难。

图2 (a) 人工湿地-燃料电池的工作原理；(b) 光电催化-燃料电池的工作原理；(c) 电芬顿-燃料电池的工作原理

2.光电催化-MFC耦合系统

光电催化技术（PEC）利用太阳能产生高度活跃的自由基，降解有机污染物。PEC过程中，半导体材料在光照下产生电子空穴对，这些自由基能够有效降解污染物。尽管PEC技术具有广泛应用前景，但仍面临电子-空穴对快速复合和低光子效率等问题。将MFC与PEC技术耦合，可以通过MFC提供低电压，从而减少外部电能的依赖，提高能源利用效率，并增强废水处理效果（如图2b所示）。

研究表明，与单独的PEC或MFC相比，PEC-MFC耦合系统在去除效率和发电量方面表现更佳。Wang等人提出的UV辅助PEC-MFC系统，相比传统MFC或光催化单独使用，显示出更高的功率密度和去除效率。然而，PEC-MFC系统仍面临技术复杂性和高成本、低光子利用效率以及系统稳定性差等问题。

3. 电芬顿-MFC耦合系统

电芬顿（EF）与MFC耦合系统是一种通过电化学反应生成强氧化剂来降解有机污染物的方法。EF的基本原理是通过电解水生成过氧化物，在催化剂的作用下，过氧化物分解为氢氧自由基，从而直接氧化水中的有机污染物。与MFC耦合的EF系统无需外部电源，MFC提供的电流为EF过程提供电子，从而促进氢氧自由基的生成，提升能效（如图2c所示）。Sathe等人构建的EF-MFC耦合系统，在处理废水和发电方面表现出比单独MFC更优的性能。该系统的最大功率密度达到105.67 mW/m²。然而，EF-MFC系统面临的问题包括芬顿反应副产物的处理、电极腐蚀以及系统的不稳定性等。

4. 膜生物反应器-MFC耦合系统

膜生物反应器（MBR）结合了生物处理和膜分离技术，具有优异的废水处理效果、占地面积小和高自动化等优点。但其仍面临膜污染和高能耗等问题。将MFC与MBR结合，可以提高污染物去除效率并增加发电性能。MFC在MBR操作中不仅有助于提高生物膜的保持，还可以通过其发电能力部分抵消MBR的能耗。Zang等人研究了不同回流比的MBR-MFC耦合系统，发现提高回流比显著增强了生物发电性能，最大输出电压和功率密度分别达到了0.55V和33.01 W/m³。然而，MBR-MFC系统仍然面临高运营成本和技术复杂性等问题。

5. 电解池-MFC耦合系统

(1) 微生物电解池-MFC

微生物电解池（MEC）通过外部电压促使微生物在阳极上氧化底物并在阴极上分解水生成氢气。MFC与MEC耦合可以提高系统的整体性能，包括废水处理和能源回收效率。MFC和MEC之间的协同作用可以提高MFC的功率，且MFC产生的电流为MEC提供支持。Liu等人开发了MFC-MEC耦合系统，通过增加外部电场加速电子转移速率，显著提高了MFC的功率密度。尽管如此，MEC-MFC系统仍面临技术限制和环境因素对效率的影响。

(2) 电催化氧化-MFC

电催化氧化（EC）是一种高效的高级氧化技术，通过外部电源在阳极表面生成强氧化物种（如OH·），这些物种能与有机物反应并逐渐氧化为CO₂和H₂O。EC作为MFC的预处理可以提高污染物的利用率，改善电子利用效率。Chen等人开发的EC-MFC耦合系统，通过EC预处理提高了废水的可生物降解性，并显著提升了MFC的发电性能。尽管如此，EC-MFC系统仍然面临高运行成本和副产品处理等问题。

总的来说，不同的MFC耦合系统在特定的应用场景中展现出独特的优势。CW-MFC适用于自然或人工湿地中，具有较低的运营和维护成本；PEC-MFC适合在阳光丰富的环境中使用，适合资源有限的地区；EF-MFC适用于需要处理难降解污染物的场合，如染料废水和制药废水；MBR-MFC适用于高浓度有机废水处理，具有较低的污泥产量和较高的水质回用价值；而电解池-MFC耦合系统适用于工业废水处理和资源回收。虽然这些系统仍面临技术、成本和稳定性等方面的挑战，但它们的结合在废水处理和能源回收领域展现出巨大的应用前景。

（三）堆叠型MFC

以往的研究主要集中在提升MFC的发电能力和污染物去除效率。然而，MFC的发电性能仍未满足实际应用的需求。研究表明，单个MFC的最大开路电压仅为1.14V（当使用氧气作为电子受体时），在实际运行中电压可能低于0.8V。而化学燃料电池的能量输出远高于MFC。因此，为确保MFC能够提供足够的电压或电流，必须堆叠多个MFC单元。

1. 堆叠型MFC的配置

堆叠方式主要包括串联、并联和串并混合连接。多个MFC的连接可以有效提升其发电性能，而连接方式对发电性能有显著影响。堆叠MFC的配置对发电性能有重要作用，影响因素主要包括：（1）堆叠数目：增加堆叠数目可以增加电极表面积和反应面积，从而提高电子和质子转移效率，但也可能增加内阻；（2）电极间距：电极间距会影响电子和质子转移的距离，较小的距离可以缩短转移路径，提高转移效率，但可能增加内阻；（3）电极布局：电极布局影响电子和质子的转移路径和速率，优化布局可以增加电极表面积，提高转移效率；（4）连接方式：不同的连接方式会影响堆叠MFCs的电子转移效率和质子转移速率，显著影响系统的内阻。

在MFC的实际应用中，可能需要间歇性地输出高电压或高电流，这就需要在串联和并联之间切换。研究表明，当堆叠MFC由串联切换为并联时，输出功率保持稳定，而当由并联切换为串联时，系统需要一定的滞后时间来重新稳定，而且微生物群落组成存在显著差异。MFC的连接方式可以显著影响其发电性能和污染物去除效率，为提升堆叠系统的发电能力提供了实用途径。

2. 堆叠MFC中的电压反转问题

尽管堆叠MFC的发电电压和电流有所提高，但仍然面临一些问题。理论上，通过串联多个MFC可以增加总电压，而并联则可以增加总电流。然而，在实际操作中，串联后的系统总电压（或电流）通常低于每个MFC的单独输出电压（或电流）。这种现象称为电压（电流）反转。电压反转问题会导致串联后的系统电压甚至低于单个MFC的开路电压，严重时可能导致系统失效。学术界尚未对电压反转的机制达成一致意见。

(1)堆叠系统中单个单元性能差异

以两个串联的MFC（MFC1和MFC2）为例，如果MFC1的性能较弱，则其生成的电子和质子数量少于MFC2。这时，MFC1的阴极会积累电子，形成负电荷，而MFC2的阳极则会因电子转移不足导致质子积聚。随着电子在MFC1中的积累，最终会导致电压反转，从而形成负电压。

(2)微生物生物阳极和化学催化阳极之间的效率失衡

MFC的阳极通常由电活性微生物作为催化剂，但微生物代谢的催化效率通常低于阴极化学催化剂（如Pt/C催化剂）。阳极的催化效率受到微生物活性的影响，而阴极的化学催化效率则不受环境条件的显著影响。这种催化效率的不平衡会限制电池的性能。

(3)底物供给不足

MFC的发电性能依赖于电活性微生物生物阳极的催化性能。当阳极反应底物充足、温度和pH条件适宜时，微生物会产生大量的电子和质子。若阳极底物缺乏或环境条件不利于微生物生长，则电子和质子的生成量显著减少，导致堆叠MFC系统中电子和质子失衡，从而发生电压反转。

图3 串联MFC的电压反转原理示意图

3. 电压反转控制方法

由于电压反转会导致阳极极化加剧、阳极腐蚀加速，并对附着在阳极上的电活性细菌造成永久性损害，因此控制电压反转成为研究的重点。

(1)减少MFC单元间的不平衡

一种控制电压反转的方法是对性能较弱的MFC单元施加适当的电流，以平衡堆叠系统中的功率。研究表明，通过对表现较差的MFC单元施加辅助电流，可以有效恢复电压反转，但这种方法需要持续监控并不断调整电流。

(2)在堆叠MFC中加入电路元件

一些研究通过在堆叠MFC系统中引入二极管来控制电压反转。二极管连接后，反向二极管可以使电压反转仅发生在每个周期的末端，减少电流的反向流动，从而在一定程度上减轻电压反转问题。

(3)使用电容器存储电荷

通过在堆叠MFC系统中战略性地加入电容器，可以调节电荷流动，帮助维持系统稳定。研究表明，使用超级电容器与MFCs结合，在充放电过程中可以提高系统的电压，并可能有效抑制电压反转问题。

(4)微生物催化剂优化

微生物阳极的催化性能对电压反转的发生有重要影响。研究发现，通过优化阳极的微生物群落和生物膜厚度，可以有效减少电压反转。构建匹配催化性能的生物阴极也有助于抑制电压反转。

总的来说，堆叠MFC是提升微生物燃料电池发电性能的有效方法，但面临电压反转等挑战。通过优化设计、材料选择、操作方式以及采用电路元件和微生物催化剂优化等手段，可以有效缓解电压反转问题，提高系统的稳定性和长期运行性能。未来的研究需要进一步优化堆叠MFC的设计和操作方式，以实现其在实际应用中的广泛推广。

废水作为一种未被充分利用的资源，具有巨大的应用潜力。MFC作为一种绿色技术，能够将废水中的化学能转化为电能，具有广阔的应用前景。本文综述了提高MFC电力生成性能的方法，并探讨其在污染物去除中的有效性。

首先，本文回顾了MFC的基本原理、电子转移机制和常见配置。接着，分析了MFC的耦合系统，讨论了其优缺点。最后，文章探讨了堆叠MFC的配置特点，特别是电压反转现象的原因及其控制策略。

近年来，尽管MFC在电力生成方面取得了显著进展，但要满足商业化应用仍需进一步改进。未来的研究可从以下几个方面展开：

耦合系统优化：为了提升MFC的能效和系统稳定性，需要深入研究耦合系统。除了改进材料和操作模式外，还应探索与其他技术的创新性结合。理想的耦合技术应具备以下特点：直接利用MFC产生的能量、减少能量损失、环境影响小、不产生有害副产品、提供额外的污染物降解途径，并能带来经济效益和资源回收功能。

堆叠系统优化：尽管堆叠MFC技术已有较大进展，但电压反转问题依然是堆叠系统中的挑战。优化电极材料和调整负载分配可以有效减少电流不平衡，降低电压反转发生的概率。未来，智能控制系统的集成有望通过实时监控和动态优化操作参数，提升堆叠系统的稳定性和电压稳定性。

耦合与堆叠技术结合：耦合系统能增强MFC的部分功能，但提升能量输出的能力有限；堆叠系统能增加能量输出，但在处理复杂污染物时效果差。因此，将耦合与堆叠技术结合，能够同时提高污染物的处理效率和能量输出，是提升MFC效率的有效路径。

MFC规模化：规模化MFC是提升其性能的重要途径。尽管反应器尺寸增大会影响电力输出，但通过不同形状的MFC可提高大规模MFC的电力生成性能。规模化还可能影响微生物活性和物质传输机制，因此需要深入研究以优化反应器设计。

综上所述，未来的研究应聚焦于优化耦合系统和堆叠配置，提升MFC的电力生成性能和稳定性，推动其在废水处理和能源回收领域的实际应用。通过持续的技术优化，MFC有望成为一种绿色、低成本的废水处理和能源回收解决方案。

史雪瑶：在读硕士，西安交通大学能源与动力工程学院环境工程系研究生，研究方向为微生物燃料电池，研究内容为微生物燃料电池降解偶氮染料废水。

徐浩：博士，教授，博导，环境科学与工程系主任，环境工程国家级一流本科专业建设点负责人，《工业水处理》编委，《电镀与涂饰》编委，Chinese Chemical Letters青年编委，《西安交通大学学报》青年编委，中国化工学会工业水处理专委会副秘书长、委员，第三批秦岭生态环保青年学者。主要研究方向为电化学水处理技术及新型钛基体金属氧化物电极。承担国家自然科学基金面上项目、青年基金、中国博士后科学基金、陕西省自然科学基础研究计划项目、浙江省基础公益研究计划项目、陕西省博士后科学基金、中央高校基本科研业务费及多项企业委托的横向课题。获陕西省科技进步二等奖（第1完成人）、全国服务业科技创新奖一等奖（第2完成人）、陕西省高等学校科学技术奖一等奖2项、陕西省环境保护科学技术奖特等奖、陕西省环境保护青年科技奖、西安交通大学教学成果奖二等奖（第1完成人）、西安交通大学师德先进个人等荣誉。