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微生物燃料電池（MFC）利用微生物作為生物催化劑，直接將有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，MFC作為一種減少水處理過(guò)程中能耗和碳排放的潛在技術(shù)，引起了人們的廣泛關(guān)注。然而MFC的功率密度（很少超過(guò)3W/m2）對(duì)于商業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)仍然不能令人滿意。一個(gè)主要障礙是有利于細(xì)菌生長(zhǎng)的中性和低電導(dǎo)率介質(zhì)引起的高內(nèi)阻。有氧富集會(huì)導(dǎo)致需氧細(xì)菌的生長(zhǎng)，從而限制外產(chǎn)電的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致陽(yáng)極性能下降。在構(gòu)建耐氣陽(yáng)極的研究中，并未考慮生物膜結(jié)構(gòu)對(duì)陽(yáng)極生物膜耐氣特性的影響。與浮游微生物不同，物質(zhì)從溶液擴(kuò)散到生物膜中是通過(guò)層流邊界層和生物膜內(nèi)的空隙發(fā)生的。小外電路電阻或高氮?dú)夤呐菟俾市纬傻年?yáng)極生物膜往往平坦且致密，而大外電路電阻或低氮?dú)夤呐菟俾市纬傻年?yáng)極生物膜通常粗糙且多孔。
在本研究中，研究人員在不同的外部阻力或氮?dú)夤呐菟俾氏赂患?yáng)極生物膜，以操縱生物膜結(jié)構(gòu)并研究構(gòu)建耐氣陽(yáng)極的方法和機(jī)制。系統(tǒng)研究表明具有低外電路電阻或高氮?dú)夤呐萋实年?yáng)極形成可以增強(qiáng)生物陽(yáng)極的耐氧特性。這是通過(guò)形成平坦而緊湊的生物膜結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該生物膜結(jié)構(gòu)具有較大的層流邊界層，從而減少了氧氣擴(kuò)散。因此緊湊型電極組件MFC的功率密度顯著增加。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了生物膜結(jié)構(gòu)在構(gòu)建用于MFC高功率發(fā)電的耐氧生物陽(yáng)極中的重要性。
丹麥Unisense微電極研究系統(tǒng)應(yīng)用
溶解氧是使用連接到unisense微電極研究系統(tǒng)-氧氣微傳感器（X-5 uniamp，Unisense）測(cè)量的。陽(yáng)極室中充有20 mL/min的空氣，以維持穩(wěn)定的DO濃度。采用馬達(dá)控制器微電極運(yùn)動(dòng)，步長(zhǎng)為5μm。每次移動(dòng)后記錄生物膜內(nèi)的溶解氧濃度，直至微傳感器尖端輕輕接觸石墨表面而無(wú)法向前移動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在不同的外部阻力或氮?dú)夤呐菟俾氏赂患?yáng)極生物膜，以操縱生物膜結(jié)構(gòu)并研究構(gòu)建耐氣陽(yáng)極的方法和機(jī)制。系統(tǒng)研究表明，具有低外電路電阻或高氮?dú)夤呐萋实年?yáng)極形成可以增強(qiáng)生物陽(yáng)極的耐氧特性。這是通過(guò)形成平坦而緊湊的生物膜結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該生物膜結(jié)構(gòu)具有較大的層流邊界層，從而減少了氧氣擴(kuò)散。因此緊湊型電極組件MFC的功率密度顯著增加。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了生物膜結(jié)構(gòu)在構(gòu)建用于MFC高功率發(fā)電的耐氧生物陽(yáng)極中的重要性。通過(guò)調(diào)節(jié)外部阻力或氮?dú)鈬娚渌俾?，也清楚地顯示了生物膜結(jié)構(gòu)對(duì)層流邊界層厚度的影響及其對(duì)氧擴(kuò)散的影響。在較小的外部阻力或較高的氮?dú)鈬娚渌俾氏滦纬傻年?yáng)極生物膜表現(xiàn)出平坦而致密的結(jié)構(gòu)，具有較大的層流邊界層（超過(guò)300μm），導(dǎo)致進(jìn)入生物膜的最大氧通量比多孔生物膜低7.5倍。
圖1、以20 mL/min的速度直接泵送空氣時(shí)，MFC電壓隨時(shí)間變化。(a)MFC富含500–4000Ω的外部電路電阻。(b)以20–160 mL/min的氮?dú)鈬娚渌俾矢患疢FC。黑色箭頭表示以20 mL/min的空氣泵入陽(yáng)極室的時(shí)間。隨著陽(yáng)極富集過(guò)程中氮?dú)夤呐菟俾实脑黾?，電池電壓損失降低。
圖2、由（a）富含不同外部電路電阻的陽(yáng)極，（b）富含不同氮?dú)鈬娚渎实年?yáng)極構(gòu)成的緊湊型電極MFC的功率密度。隨著外電阻從1000Ω減小到75Ω或氮?dú)夤呐菟俾蕪?0 mL/min增加到80 mL/min，CEA-R200、CEA-R75和CEA-N80的最大功率密度增加了38%、85%和77%至3223 mW/m2、4300 mW/m2和4114 mW/m2。
圖3、陽(yáng)極生物膜中的氧氣分布富含(a)500–4000Ω的外部電路電阻。(b)以20–160 mL/min的氮?dú)鈬娚渌俾矢患疢FC。0μm代表石墨陽(yáng)極表面。評(píng)估了陽(yáng)極生物膜內(nèi)溶解氧（DO）濃度的分布和生物膜結(jié)構(gòu)。使用氧微傳感器測(cè)量溶解氧濃度并評(píng)估層流邊界層的厚度。(c)曝氣期間陽(yáng)極電流損失之間的線性關(guān)系。(d)R500、(e)R1000、(f)N80、(g)R2000、(h)R4000和(i)N20的3D物理結(jié)構(gòu)圖像。對(duì)生物膜進(jìn)行LIVE/DEAD活力染色并通過(guò)CLSM進(jìn)行觀察。活細(xì)胞成像為綠色，而死細(xì)胞成像為紅色。數(shù)字代表軸的長(zhǎng)度。
圖4、耐氣陽(yáng)極和不耐氣陽(yáng)極示意圖。Z生物膜和ZL分別指陽(yáng)極生物膜和層流邊界層的厚度。使用氧微傳感器測(cè)量溶解氧濃度并評(píng)估層流邊界層的厚度。
圖5、不同類型的微生物燃料電池內(nèi)陽(yáng)極生物膜內(nèi)溶解氧（DO）濃度的分布。(a)R500，(b)R1000，(c)R2000，(d)R4000，(e)N20，(f)N80陽(yáng)極生物膜內(nèi)氧濃度分布的。0μm為石墨陽(yáng)極表面
總結(jié)：由于可有效降低內(nèi)阻，減小電極間距被認(rèn)為是最大化微生物燃料電池（MFC）功率密度的最有效方法。然而減小電極間距帶來(lái)了氧氣從陰極擴(kuò)散到陽(yáng)極的挑戰(zhàn)，從而降低了陽(yáng)極性能。構(gòu)建耐氧陽(yáng)極可能是最小化氧氣對(duì)陽(yáng)極性能影響的有效方法之一。本論文研究人員報(bào)告了在生物陽(yáng)極富集過(guò)程中使用小的外部阻力或保持高的氮?dú)鈬娚渎士梢燥@著增強(qiáng)生物陽(yáng)極的耐氧特性。氧氣影響的電壓損失顯著降低，結(jié)果緊湊電極組件MFC的功率密度增加了85%，達(dá)到4300 mW/m 2。耐氧生物陽(yáng)極具有平坦而致密的生物膜結(jié)構(gòu)和較大的層流邊界層（超過(guò)300μm）以減少氧擴(kuò)散，而不耐氧生物陽(yáng)極具有粗糙且多孔的生物膜結(jié)構(gòu)和較小的層流邊界層（小于80μm）。所有生物陽(yáng)極的微生物群落以地桿菌為主（超過(guò)55%）。本研究提供了構(gòu)建用于MFC高發(fā)電的耐氧生物陽(yáng)極的示例方法，構(gòu)建的耐氧陽(yáng)極對(duì)于MFC技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。一方面它克服了氧擴(kuò)散對(duì)陽(yáng)極的負(fù)面影響，并顯著提高了緊湊型電極組件MFC的功率密度，另一方面為今后工作中使用更薄的隔膜進(jìn)一步提高M(jìn)FC技術(shù)的功率密度提供了基礎(chǔ)。
