微生物燃料電池（MFC）利用微生物作為生物催化劑，直接將有機物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，MFC作為一種減少水處理過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3W/m2）對于商業(yè)應(yīng)用來說仍然不能令人滿意。一個主要障礙是有利于細菌生長的中性和低電導(dǎo)率介質(zhì)引起的高內(nèi)阻。有氧富集會導(dǎo)致需氧細菌的生長，從而限制外產(chǎn)電的生長，從而導(dǎo)致陽極性能下降。在構(gòu)建耐氣陽極的研究中，并未考慮生物膜結(jié)構(gòu)對陽極生物膜耐氣特性的影響。與浮游微生物不同，物質(zhì)從溶液擴散到生物膜中是通過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氣鼓泡速率形成的陽極生物膜往往平坦且致密，而大外電路電阻或低氮氣鼓泡速率形成的陽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氣鼓泡速率下富集陽極生物膜，以操縱生物膜結(jié)構(gòu)并研究構(gòu)建耐氣陽極的方法和機制。系統(tǒng)研究表明具有低外電路電阻或高氮氣鼓泡率的陽極形成可以增強生物陽極的耐氧特性。這是通過形成平坦而緊湊的生物膜結(jié)構(gòu)來實現(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）測量的。陽極室中充有20 mL/min的空氣，以維持穩(wěn)定的DO濃度。采用馬達控制器微電極運動，步長為5μm。每次移動后記錄生物膜內(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法向前移動。

實驗結(jié)果：在不同的外部阻力或氮氣鼓泡速率下富集陽極生物膜，以操縱生物膜結(jié)構(gòu)并研究構(gòu)建耐氣陽極的方法和機制。系統(tǒng)研究表明，具有低外電路電阻或高氮氣鼓泡率的陽極形成可以增強生物陽極的耐氧特性。這是通過形成平坦而緊湊的生物膜結(jié)構(gòu)來實現(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)電的耐氧生物陽極中的重要性。通過調(diào)節(jié)外部阻力或氮氣噴射速率，也清楚地顯示了生物膜結(jié)構(gòu)對層流邊界層厚度的影響及其對氧擴散的影響。在較小的外部阻力或較高的氮氣噴射速率下形成的陽極生物膜表現(xiàn)出平坦而致密的結(jié)構(gòu)，具有較大的層流邊界層（超過300μm），導(dǎo)致進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，MFC電壓隨時間變化。(a)MFC富含500–4000Ω的外部電路電阻。(b)以20–160 mL/min的氮氣噴射速率富集MFC。黑色箭頭表示以20 mL/min的空氣泵入陽極室的時間。隨著陽極富集過程中氮氣鼓泡速率的增加，電池電壓損失降低。

圖2、由（a）富含不同外部電路電阻的陽極，（b）富含不同氮氣噴射率的陽極構(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或氮氣鼓泡速率從20 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的氮氣噴射速率富集MFC。0μm代表石墨陽極表面。評估了陽極生物膜內(nèi)溶解氧（DO）濃度的分布和生物膜結(jié)構(gòu)。使用氧微傳感器測量溶解氧濃度并評估層流邊界層的厚度。(c)曝氣期間陽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。對生物膜進行LIVE/DEAD活力染色并通過CLSM進行觀察?；罴毎上駷榫G色，而死細胞成像為紅色。數(shù)字代表軸的長度。

圖4、耐氣陽極和不耐氣陽極示意圖。Z生物膜和ZL分別指陽極生物膜和層流邊界層的厚度。使用氧微傳感器測量溶解氧濃度并評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陽極生物膜內(nèi)氧濃度分布的。0μm為石墨陽極表面

總結(jié)：由于可有效降低內(nèi)阻，減小電極間距被認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了氧氣從陰極擴散到陽極的挑戰(zhàn)，從而降低了陽極性能。構(gòu)建耐氧陽極可能是最小化氧氣對陽極性能影響的有效方法之一。本論文研究人員報告了在生物陽極富集過程中使用小的外部阻力或保持高的氮氣噴射率可以顯著增強生物陽極的耐氧特性。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%，達到4300 mW/m 2。耐氧生物陽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300μm）以減少氧擴散，而不耐氧生物陽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）。所有生物陽極的微生物群落以地桿菌為主（超過55%）。本研究提供了構(gòu)建用于MFC高發(fā)電的耐氧生物陽極的示例方法，構(gòu)建的耐氧陽極對于MFC技術(shù)的實際應(yīng)用具有重要意義。一方面它克服了氧擴散對陽極的負面影響，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一步提高MFC技術(shù)的功率密度提供了基礎(chǔ)。