Small Methods：基於細菌-碳納米管三維交互薄膜結構的微生物燃料電池陽極

微生物燃料電池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復與產電的優勢，在清潔環境，能量存儲與轉換領域佔據重要地位。如何提升微生物燃料電池的綜合性能指標，包括提高功率輸出水平，縮短器件啟動時間等，是微生物發電的研究重點。通過合理的陽極（包含細菌與集流體兩部分）結構設計以增加發電細菌可附著的電極面積，被認為是應對以上挑戰的一個關鍵。憑藉其較高的比表面積，具有多孔結構的陽極長期以來受到關注。然而較大的細菌尺寸（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/微孔電極的內表面，從而限制了單位質量和單位體積電極的表面積，導致較低的細菌載量和受限的功率密度。

近日，加州大學聖克魯茲分校化學與生物化學系李軼（Yat Li）教授團隊成功設計了一種製備產電細菌-碳納米管三維交互薄膜的方法並將該薄膜結構應用於微生物燃料電池。在該工作中，細菌與高度分散的碳納米管以共抽濾的方式實現細菌-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 。同時，細菌分散在電極三維空間以內，充分利用了電極的內表面，大幅增加電極的細菌載量。除此之外，該方法可使得電極表面生物膜的形成更加迅速（圖1：細菌-碳納米管交互薄膜結構製備示意圖a，以及掃描電鏡形貌 b和d。標尺為5微米）。 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-碳納米管電極只在電極外表面附著有限量的細菌（圖1：掃描電鏡形貌 c和e。標尺為5微米）。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）。

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小時過程中保持相對對照組的電流輸出優勢。該對比證實這種電極三維空間內細菌高載量分布以及快速生物膜形成的特點，利於器件跳過冗長的啟動時間，因而也會大大提高微生物燃料電池的使用效率。

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。

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

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