二硫化鐵/石墨烯陽極：提升MFC性能的新方案

據Material Views網站報道：隨著人口的增加和現代社會的發展，我們正在產生越來越多的垃圾和廢水。傳統的汙水處理工藝是個高能耗、物(wu)耗(hao)和(he)溫(wen)室(shi)氣(qi)體(ti)排(pai)放(fang)為(wei)代(dai)價(jia)，同(tong)時(shi)浪(lang)費(fei)了(le)廢(fei)水(shui)有(you)機(ji)物(wu)中(zhong)蘊(yun)含(han)的(de)化(hua)學(xue)能(neng)
，因(yin)此(ci)發(fa)展(zhan)在(zai)廢(fei)水(shui)高(gao)效(xiao)處(chu)理(li)過(guo)程(cheng)中(zhong)回(hui)收(shou)可(ke)利(li)用(yong)的(de)資(zi)源(yuan)與(yu)能(neng)源(yuan)的(de)新(xin)技(ji)術(shu)與(yu)新(xin)方(fang)法(fa)具(ju)有(you)經(jing)濟(ji)和(he)生(sheng)態(tai)雙(shuang)重(zhong)效(xiao)益(yi)。

微生物燃料電池（MFC）利用產電微生物催化降解有機物，將有機物蘊含的化學能轉化為電能，具有清潔高效
、原(yuan)位(wei)利(li)用(yong)和(he)循(xun)環(huan)利(li)用(yong)的(de)優(you)點(dian)，作(zuo)為(wei)一(yi)種(zhong)能(neng)夠(gou)將(jiang)廢(fei)水(shui)再(zai)生(sheng)為(wei)能(neng)源(yuan)的(de)技(ji)術(shu)受(shou)到(dao)了(le)廣(guang)泛(fan)的(de)關(guan)注(zhu)。然(ran)而(er)，產(chan)電(dian)微(wei)生(sheng)物(wu)催(cui)化(hua)降(jiang)解(jie)有(you)機(ji)物(wu)產(chan)業(ye)化(hua)的(de)前(qian)提(ti)和(he)難(nan)點(dian)問(wen)題(ti)是(shi)如(ru)何(he)大(da)幅(fu)度(du)提(ti)高(gao)微(wei)生(sheng)物(wu)催(cui)化(hua)降(jiang)解(jie)有(you)機(ji)物(wu)產(chan)電(dian)的(de)效(xiao)率(lv)。本(ben)質(zhi)上(shang)，微(wei)生(sheng)物(wu)催(cui)化(hua)降(jiang)解(jie)有(you)機(ji)物(wu)產(chan)電(dian)的(de)效(xiao)率(lv)主(zhu)要(yao)受(shou)微(wei)生(sheng)物(wu)胞(bao)外(wai)電(dian)子(zi)轉(zhuan)移(yi)速(su)率(lv)的(de)製(zhi)約(yue)
，因(yin)此(ci)強(qiang)化(hua)微(wei)生(sheng)物(wu)的(de)附(fu)著(zhe)力(li)及(ji)提(ti)高(gao)微(wei)生(sheng)物(wu)胞(bao)外(wai)電(dian)子(zi)傳(chuan)遞(di)能(neng)力(li)將(jiang)有(you)效(xiao)提(ti)升(sheng)微(wei)生(sheng)物(wu)催(cui)化(hua)降(jiang)解(jie)有(you)機(ji)物(wu)產(chan)電(dian)的(de)效(xiao)率(lv)。

近期，哈爾濱工業大學劉紹琴課題組根據Geobacter產電微生物可以利用Fe³⁺和S作為電子傳遞通路的特性，通過簡便的水熱反應合成了二硫化鐵/石墨烯複合物（FeS₂/rGO）作為微生物燃料電池的陽極。該複合納米結構不僅極大地改善了Geobacter產電微生物在電極表麵的黏附能力，而且有利於Geobacter在群落中與其他細菌的競爭
，實現了Geobacter產電微生物的選擇性富集，從而將微生物燃料電池的啟動周期從常規碳布電極的十幾天降低到2天。此外，FeS₂納米粒子的引入顯著減小了電極的電荷轉移阻抗，促進了微生物-電極界麵之間的電子傳遞，獲得了3.22 W/m²的麵功率密度。將其用於啤酒廠廢水的處理，也獲得了較高的電壓和功率密度以及良好的有機物去除率。

微生物燃料電池是一個十分複雜的體係，涉及細菌自身複雜的代謝和群體的互作、生物電極界麵的相互作用、複雜的傳質過程和電化學反應。關於特定條件下MFC性(xing)能(neng)的(de)研(yan)究(jiu)相(xiang)對(dui)比(bi)較(jiao)充(chong)分(fen)，但(dan)上(shang)述(shu)的(de)一(yi)些(xie)基(ji)本(ben)過(guo)程(cheng)仍(reng)然(ran)需(xu)要(yao)被(bei)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)研(yan)究(jiu)和(he)更(geng)詳(xiang)細(xi)的(de)闡(chan)述(shu)。我(wo)們(men)相(xiang)信(xin)，對(dui)於(yu)微(wei)生(sheng)物(wu)自(zi)身(shen)代(dai)謝(xie)和(he)種(zhong)群(qun)間(jian)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)的(de)進(jin)一(yi)步(bu)揭(jie)示(shi)以(yi)及(ji)細(xi)菌(jun)-電極之間微納界麵的進一步研究將有助於指導未來MFC陽極的設計和應用。相關論文在線發表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201800618)上。