综述：MXene基材料在微生物燃料电池中的电化学应用综述

本综述系统阐述了MXene（二维过渡金属碳化物/氮化物）材料在微生物燃料电池（MFC）中的前沿应用。文章重点分析了MXene及其复合材料作为阳极和阴极催化剂时，如何利用其高导电性、可调表面化学性质及大比表面积来促进微生物粘附、增强胞外电子转移（EET）和氧还原反应（ORR），从而显著提升MFC的功率密度和能量转换效率，为开发高效、可持续的生物电化学能源系统提供了重要见解。

　　

MXene材料因其独特的二维层状结构、优异的导电性、可调的表面化学性质以及高比表面积，在能源存储与转换领域展现出巨大潜力。近年来，其在微生物燃料电池中的应用研究取得了显著进展。MFC是一种利用微生物作为催化剂将有机物中的化学能直接转化为电能的生物电化学系统，其性能核心在于电极材料。

MXene的结构与特性

MXene的通式为M_n+1X_nT_x，其中M代表早期过渡金属（如Ti、V、Nb），X是碳和/或氮，T_x是表面终止基团（如-O, -OH, -F）。它们通常通过选择性蚀刻MAX相前驱体（如Ti₃AlC₂）中的A层（主要是ⅢA或ⅣA族元素）获得。这种结构赋予了MXene极高的金属导电性（可达20,000 S/cm）、亲水性表面、良好的机械柔性和丰富的表面化学，使其易于功能化和复合。

MXene的合成策略

MXene的合成主要采用自上而下的方法。最初使用氢氟酸（HF）进行化学蚀刻，但存在毒性和安全风险。后续发展了更安全的路线，如使用LiF/HCl混合溶液进行选择性蚀刻，该方法能产生插层的MXene，易于剥离成单层或少层纳米片。此外，熔融盐蚀刻等无氟方法也为制备稳定MXene提供了新途径，尽管工艺相对复杂。合成方法的选择直接影响MXene的层数、缺陷密度、表面官能团及其最终的电化学性能。

MXene基复合材料作为MFC阳极

阳极是MFC的关键部件，直接影响微生物的附着、胞外电子转移（EET）效率和系统功率输出。将MXene（尤其是Ti₃C₂T_x）用于阳极修饰，可利用其高导电性为电子转移提供高速公路，其亲水表面（富含-OH、-O基团）则有利于微生物的粘附和生物膜的形成。

然而，纯MXene纳米片易发生堆叠，减少活性面积。因此，常将其与其他材料复合以协同增效：

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  与碳材料复合：如与碳纳米管（CNT）复合，CNT可以桥接MXene片层，形成三维导电网络，防止堆叠，显著增加比表面积和电荷传输路径。
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  与金属氧化物/硫化物复合：如与CoFe₂O₄、MnO₂、MoS₂等复合。这些氧化物/硫化物纳米颗粒可以作为“电子中继站”，促进氧化还原反应，同时其粗糙表面为微生物提供了更多的锚定位点。
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  与导电聚合物复合：如与聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）复合。导电聚合物不仅能进一步改善电极的导电性和生物相容性，其本身的赝电容特性还有助于电荷的存储与释放，稳定电流输出。
  这些复合材料通过协同作用，显著降低了阳极的电荷转移电阻（R_ct），加快了启动速度，并大幅提升了MFC的功率密度和电流密度。例如，MXene/聚吡咯-聚丙烯酰胺水凝胶阳极的功率密度可达6710 mW/m²。

MXene作为MFC阴极催化剂

阴极上的氧还原反应（ORR）动力学缓慢是限制MFC性能的另一瓶颈。贵金属铂（Pt）是高效ORR催化剂，但成本高昂。MXene因其高导电性和表面活性，成为Pt的潜在替代品。其表面的-O和-OH官能团有助于氧气和电解质的接近，提供丰富的ORR活性位点。

研究通过将MXene与其它ORR活性材料（如NiCoP、NiCoAl层状双氢氧化物（LDH）、ZIF-8等）复合，构建了高性能阴极催化剂。例如，MXene@NiCoP复合材料结合了MXene的快速电子传导能力和NiCoP的高本征催化活性，密度泛函理论（DFT）计算证实其具有较低的过电位和较强的OH*吸附能力，有利于ORR进行。这类复合材料通常表现出优于单一组分的功率输出和稳定性。

挑战与未来展望

尽管MXene在MFC中展现出广阔前景，但仍面临一些挑战：1）在水和氧气环境中的长期稳定性问题，易发生氧化导致性能衰减；2）大规模、低成本、环境友好型合成工艺的开发；3）从实验室到实际应用的放大过程中，电极结构的优化和系统集成问题。

未来研究应聚焦于：通过表面工程（如聚合物包覆、元素掺杂）和复合结构设计提升MXene的稳定性；开发绿色合成路线；利用原位表征技术深入理解MXene-微生物界面电子转移机制；进行系统的生命周期评估和经济性分析，推动MXene基MFC技术的实际应用。

总之，MXene基材料通过其独特的性质组合和灵活的复合策略，为构建高性能、可持续的MFC提供了强大的材料平台，有望在废水处理与同步产电领域发挥重要作用。