Small Methods 交织之美：细菌/碳纳米管三维交互薄膜结构微生物燃料电池阳极

【基本信息】

1. 作者信息：加州大学圣克鲁兹分校 (University of California, Santa Cruz) 化学与生物化学系博士生寇天一 (第一作者) 、西北工业大学机电学院杨扬博士（共同第一作者），加州大学圣克鲁兹分校化学与生物化学系李轶（Yat Li）教授（通讯作者）等。
2. 研究主题：微生物燃料电池-阳极-碳纳米管复合薄膜17
3. 发表时间：2018年8月5日上线

【一句话主旨】

本文展示了一种通过将产电细菌和碳纳米管共抽滤成膜的方法制备薄膜微生物燃料电池阳极材料，缩短了细菌接种过程，增加了产电细菌载量，大幅提升了电池体积功率密度。

【研究背景】

• 微生物燃料电池（MFC）是一类包含产电细菌的特殊燃料电池。这类电池通过产电细菌自身的代谢过程产生电能。MFC是作为一种能量转换器件具备其他器件所不具备的生物修复与生物产电的双重功能；
• 生长细菌的MFC阳极的结构会影响诸如影响产细菌可接触的电极面积，对于提高MFC功率密度有重要作用；
• 一般多孔电极的介孔和微孔虽可增加比表面积以增加产电细菌数量。但受限于产细菌自身较大尺寸（如Shewanella Oneidensis MR-1的长度约5 μm，直径约0.5 μm），细菌难以大量进入电极内表面繁殖，因而降低了电极内表面的利用率而拉低了MFC功率密度；
• 增加电极的孔尺寸虽可缓解上述问题，但大尺寸孔结构限制了单位质量和单位体积的电极表面积，导致较低的细菌总生长量，使得功率密度的提升变得有限。

【文章亮点】

1. 产电细菌与高度分散的碳纳米管互通过共抽滤过程形成具有互织结构的复合薄膜电极。该种电极结构可使细菌充分分散至碳纳米管形成的三维结构的表面以及内部，提升单位体积电极中的产电细菌数量；
2. 三维交织电极网络利于营养物质在电极中的运输，同时碳纳米管构成的三维导电网络利于产电细菌代谢产生的电子的迅速传递；
3. 使用共抽滤方法一步实现了生物膜快速形成，缩短了传统MFC阳极制备时所需的冗长等待时间以确保微生物在阳极上附着、繁殖、生长;
4. 使用该细菌/碳纳米管网络阳极的MFC的最大体积功率密度高达34 W m^-3 的（以阳极腔室体积计）或12102 W m^-3 （以阳极电极体积计）。

【图片导读】

(注：图片由文章作者提供，亦可从文后文后原文链接中获取)

图1：细菌/碳纳米管薄膜电极制备及扫描电镜（SEM）形貌

a) 细菌/碳纳米管复合薄膜制备过程示意图；

b, d) 细菌/碳纳米管复合薄膜表面与截面形貌；

c, e) 传统接种方法（让细菌在电极表面自然生长）获得的细菌/碳纳米管薄膜表面与截面形貌。

所有标尺均表示5 µm。

【要点】

• 相对于传统的接种制备方法，产电细菌与高分散碳纳米管混合共抽滤组装法可简化电极制备过程，并易于控制细菌数量。
• 相对于利用传统接种法获得的细菌/碳纳米管电极，细菌/碳纳米管复合薄膜不仅于外表面存在大量细菌（生物膜），其内部三维空间亦可为细菌提供大量生长位点。此外，该复合薄膜的交织结构更利于快速传导细菌代谢过程产生的电子。

图2： MFC时间-电流曲线对比

细菌-碳纳米管复合薄膜作为阳极的MFC（阳极电解液无细菌），与传统接种法获得的细菌附着碳纳米管电极作阳极的MFC（阳极溶液存在与复合薄膜等量细菌）的启动电流时间曲线对比

【要点】

• 使用共抽滤法制备的细菌/碳纳米管复合薄膜阳极的MFC相比于传统阳极MFC，展现了更高（~10倍）的起始电流，且无启动时间（一开始电流增大过程）。

图3： 电化学阻抗分析

不同细菌浓度的细菌/碳纳米管复合薄膜阳极MFC，与传统接种法制备的细菌/碳纳米管阳极MFC的电化学阻抗谱：

黑：传统接种法制备的细菌/碳纳米管阳极MFC

红：共抽滤法制备的细菌/碳纳米管阳极MFC（细菌浓度：每毫升4.3×10⁹个细菌）

蓝：共抽滤法制备的细菌/碳纳米管阳极MFC（细菌浓度：每毫升8.6×10⁹个细菌）

【要点】

• 借助于碳纳米管高导电网络，细菌-碳纳米管复合薄膜的等效串联电阻R_s 很小（83 Ω cm^-2）；
• 当细菌浓度增大两倍后，细菌/碳纳米管复合薄膜的R_s 有所增加，达到47 Ω cm^-2。 R_s 增加应归因于电极内部不导电细菌数量的上升；
• 与传统接种法制备的细菌/碳纳米管阳极的电荷传递电阻（65 Ω cm^-2）相比，细菌/碳纳米管复合薄的电荷传递电阻较低（1.44-1.65 Ω cm^-2）。这种高效电荷传递特性得益于细菌-碳纳米管的交织结构。

图4： 细菌浓度与MFC功率密度输出关系，以及极化和功率曲线

a) 细菌浓度与 细菌/碳纳米管复合薄膜MFC功率输出关系示意图；

b) 使用细菌/碳纳米管复合薄膜的MFC极化与功率曲线；

【要点】

• 细菌在电极中的浓度可通过调整细菌培养液和碳纳米管含量的不同而调节；
• 当细菌浓度达到每毫升3×10⁹ 个细菌时，所制备的细菌/碳纳米管复合薄膜MFC可输出31±4.4 W m^-3 的（以阳极腔室体积计）功率密度， 在同等毫升级MFC中性能突出；
• 同时，该细菌-碳纳米管复合薄膜MFC展现出了12102 W m^-3 （以阳极电极体积以计）的功率密度，显著高于目前已报道其他碳基阳极材料。

图5： 细菌–碳纳米管复合薄膜MFC稳定性性能

细菌/碳纳米管复合薄膜MFC在240小时中的性能。

【要点】

• 该细菌/碳纳米管复合薄膜MFC在共计十次循环测试过程中（时长240小时）展现出了良好的稳定性。尽管由于营养液消耗，电流在每次循环过程末期出现衰减，但及时补充营养液后，输出电流可恢复至初始水平。第五次循环结束并补充营养液后，峰值电流甚至有所增加。这些现象表明薄膜内细菌产电活性一直保持良好。

【文献信息】

Tianyi Kou et al., Interpenetrated Bacteria-Carbon Nanotubes Film for Microbial Fuel Cells, Small Methods, 2018, 1800152

供稿| 加州大学圣克鲁兹分校李轶(Yat Li)课题组博士生 寇天一

部门| 媒体信息中心科技情报部

编辑| 清新电源特邀编辑 刘田宇

主编| 张哲旭