MFC陽極結構優化研究獲進展

據Material Views網站報道：微生物燃料電池（MFC）是一種利用某些特定細菌（例如希瓦氏菌）的生物代謝過程，將儲存在有機物中的化學能轉換為電能的能量轉換裝置。因其具有自身可持續性生物修複與產電的優勢
，在清潔環境、nengliangcunchuyuzhuanhuanlingyuzhanjuzhongyaodiwei。ruhetishengweishengwuranliaodianchidezonghexingnengzhibiao，baokuotigaogonglvshuchushuiping

，suoduanqijianqidongshijiandeng，shiweishengwufadiandeyanjiuzhongdian。tongguohelideyangji（包含細菌與集流體兩部分）結jie構gou設she計ji以yi增zeng加jia發fa電dian細xi菌jun可ke附fu著zhe的de電dian極ji麵mian積ji，被bei認ren為wei是shi應ying對dui以yi上shang挑tiao戰zhan的de一yi個ge關guan鍵jian。憑ping借jie其qi較jiao高gao的de比bi表biao麵mian積ji，具ju有you多duo孔kong結jie構gou的de陽yang極ji長chang期qi以yi來lai受shou到dao關guan注zhu。然ran而er較jiao大da的de細xi菌jun尺chi寸cun（例如希瓦氏菌2.5微米長，0.5微米寬）使得細菌很難進入並附著在介孔/微孔電極的內表麵，從而限製了單位質量和單位體積電極的表麵積，導致較低的細菌載量和受限的功率密度。

圖1 細菌-碳納米管三維交互薄膜結構製備示意圖

（a）以及掃描電鏡形貌(b和d), 傳統接種法20小時獲得的細菌-碳納米管電極掃描電鏡形貌（c和e）（標尺均為5微米）

近日
，加州大學聖克魯茲分校化學與生物化學係李軼（Yat Li）教授團隊成功設計了一種製備產電細菌-碳(tan)納(na)米(mi)管(guan)三(san)維(wei)交(jiao)互(hu)薄(bo)膜(mo)的(de)方(fang)法(fa)並(bing)將(jiang)該(gai)薄(bo)膜(mo)結(jie)構(gou)應(ying)用(yong)於(yu)微(wei)生(sheng)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)。在(zai)該(gai)工(gong)作(zuo)中(zhong)
，細(xi)菌(jun)與(yu)高(gao)度(du)分(fen)散(san)的(de)碳(tan)納(na)米(mi)管(guan)以(yi)共(gong)抽(chou)濾(lv)的(de)方(fang)式(shi)實(shi)現(xian)細(xi)菌(jun)-碳納米管交織結構

，該交織結構狀態促進了細菌新陳代謝過程的電荷傳遞 。同(tong)時(shi)，細(xi)菌(jun)分(fen)散(san)在(zai)電(dian)極(ji)三(san)維(wei)空(kong)間(jian)以(yi)內(nei)，充(chong)分(fen)利(li)用(yong)了(le)電(dian)極(ji)的(de)內(nei)表(biao)麵(mian)，大(da)幅(fu)增(zeng)加(jia)電(dian)極(ji)的(de)細(xi)菌(jun)載(zai)量(liang)。除(chu)此(ci)之(zhi)外(wai)，該(gai)方(fang)法(fa)可(ke)使(shi)得(de)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)生(sheng)物(wu)膜(mo)的(de)形(xing)成(cheng)更(geng)加(jia)迅(xun)速(su)（圖1）。 作為對比，在同樣細菌濃度培養液中，通過傳統接種法20小時獲得的細菌-碳納米管電極隻在電極外表麵附著有限量的細菌（圖1）。得益於該方法獲得的結構，應用這種細菌-碳納米管三維交互薄膜的微生物燃料電池器件可提供34 W m-3 (歸結到陽極腔室體積) 或高達12102 W m-3 (歸結陽極電極體積)的功率密度。

圖2 分別應用細菌-碳納米管三維交互薄膜（陽極電解液不含細菌
，紅色曲線），與純 碳納米管電極（陽極電解液含有與交互薄膜等量細菌，黑色曲線）的微生物燃料電池的起始電流-時間曲線對比

電流時間曲線顯示（圖2）

， 應用純碳納米管電極的對照組微生物燃料電池（陽極電解液含有與三維交互薄膜等量細菌）有約6微安的較低啟動電流
，隨後呈現電流隨時間緩慢增加的趨勢（3小時後達到26微安），並在12小時後達到電流輸出峰值。與之形成鮮明對比的是
，以細菌-碳納米管三維交互薄膜做陽極的微生物燃料電池（陽極電解液不含細菌）展現了近十倍於對照組的啟動電流輸出（62.5微安）
，並在隨後的近20小xiao時shi過guo程cheng中zhong保bao持chi相xiang對dui對dui照zhao組zu的de電dian流liu輸shu出chu優you勢shi。該gai對dui比bi證zheng實shi這zhe種zhong電dian極ji三san維wei空kong間jian內nei細xi菌jun高gao載zai量liang分fen布bu以yi及ji快kuai速su生sheng物wu膜mo形xing成cheng的de特te點dian，利li於yu器qi件jian跳tiao過guo冗rong長chang的de啟qi動dong時shi間jian
，因yin而er也ye會hui大da大da提ti高gao微wei生sheng物wu燃ran料liao電dian池chi的de使shi用yong效xiao率lv。

該研究成果以Interpenetrated Bacteria-Carbon Nanotubes Film for Microbial Fuel Cells為題發表在近期Small Methods期刊上（DOI: 10.1002/smtd.201800152）。