综述：MXene修饰阳极增强微生物燃料电池性能的最新进展：一篇批判性综述

本综述系统探讨了MXene（二维过渡金属碳化物/氮化物）修饰阳极在微生物燃料电池（MFC）中的应用潜力。文章重点分析了MXene材料的高导电性、可调控表面化学特性及优异生物相容性对促进微生物附着、电子传递和MFC性能提升的关键机制，为开发高效可持续的生物电化学系统（BES）提供了重要理论依据和技术方向。

　　

MXene：定义与结构

MXenes是一类源自MAX相材料的二维材料，其通式为M_n+1AX_n（其中M代表过渡金属如钛、钒、铌，A主要为13或14族元素如铝、硅，X为碳或氮）。通过化学蚀刻法去除MAX相中的A原子层，可得到具有多层结构的MXene材料。其表面通常终止于羟基、氧或氟等官能团，赋予材料亲水性和化学可调性。

阳极的作用及MXenes在提升MFC性能中的优势

微生物燃料电池（MFC）的阳极是微生物代谢与电能产生的关键界面。电活性微生物在阳极表面形成生物膜，通过氧化有机物质释放电子。这些电子需高效传递至阳极并经外电路到达阴极。理想阳极材料应兼具高导电性、生物相容性及结构稳定性。MXenes因其独特的二维层状结构、高比表面积和优异的导电性，显著促进微生物附着与电子转移。其表面亲水官能团（如–OH）可增强细菌吸附，而可调节的化学性质允许其与其它导电材料（如碳纳米管、聚合物）复合，进一步优化电极性能。

MXene基材料作为阳极组件在MFC中的近期研究

近期研究聚焦于MXene复合阳极在MFC中的应用。例如，将Ti₃C₂T_xMXene与聚苯胺（PANI）复合，显著提高了阳极的电导率和生物相容性，使MFC的功率密度提升逾两倍。另一研究通过MXene与石墨烯复合，有效增加了电极的比表面积和电荷转移效率，加速了胞外电子传递（EET）过程。这些复合材料不仅改善了微生物的附着密度和代谢活性，还增强了电极在长期运行中的稳定性。

挑战

尽管MXene在实验室规模中表现出良好性能，其实际应用仍面临多项挑战。MXene材料在水性和有氧环境中易发生氧化，导致长期稳定性下降。实际废水中的盐分、有机物和微生物可能进一步加速材料降解。此外，MXene的大规模合成成本较高，且化学蚀刻过程可能产生环境负担。未来需开发更经济的合成方法及有效的表面保护策略（如聚合物涂层、掺杂）以提升其环境适应性。

结论与未来展望

MXene改性阳极为MFC性能提升提供了新途径。其卓越的导电性、可调控的表面性质和良好的生物相容性，为微生物附着和电子转移创造了优越条件。未来研究应致力于提高MXene材料的稳定性与可持续性，探索其与新型生物相容材料的复合策略，并推动其在规模化MFC系统中的应用。此外，需深入探究MXene与微生物之间的界面电子传递机制，以理性设计更高性能的生物电极。