从废旧锂离子电池中回收钴，通过电沉积法制备具有分层多孔结构的Co?O?/Co/CP复合材料：迈向高效的整体水分解技术

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Recycling cobalt in spent lithium-ion batteries for designing the hierarchically porous Co 3O 4/Co/CP by electrodeposition: Towards efficient overall water splitting

本研究采用共享阳极微生物燃料电池-微生物电解池耦合系统（SA-MFC-MEC），探究悬浮微生物生长对阳极生物膜电化学性能的影响。实验表明，当有机底物浓度为15 g/L时，悬浮微生物的最大比生长速率达0.21 d?1，较5 g/L和10 g/L分别提升4.2倍和1.4倍，此时系统功率密度达到600 mW/m2。通过调控悬浮微生物生长动力学，有效提升了生物膜的电化学活性。

　　

肖学堂|刘洪洲|顾思杰|李建昌

云南师范大学能源与环境科学学院，昆明650500，中国

摘要

在生物电化学系统（BES）中，阳极微生物氧化有机底物并通过外部电路将电子转移到阴极，完成电化学反应。BES的效率在一定程度上受到生物膜电化学活性的影响。随着悬浮微生物在阳极表面积累形成生物膜，它们的生长会显著影响阳极生物膜的电化学活性。本研究旨在利用共享阳极微生物燃料电池（SA-MFC-MEC）系统来探讨悬浮微生物生长对生物膜性能的影响。我们的研究结果表明，在底物浓度为15 g/L时，悬浮微生物表现出最高的比生长速率0.21 d-1，分别比5 g/L和10 g/L时的生长速率高出4.2倍和1.4倍。比生长速率与生物量和生物膜电化学活性呈正相关，在15 g/L时实现了最大功率密度600 mW/m2。本研究提出了一种通过调控悬浮微生物的生长动力学来增强生物膜电化学活性的新策略，从而提高BES效率。

引言

生物电化学系统（BES）是一种可持续技术，利用微生物催化电极反应，将有机废物中的化学能转化为可用能源或燃料。由于其低环境影响，BES近年来受到了广泛关注[1]。已经提出了多种提高BES性能的策略，包括用导电纳米材料修饰电极表面[2]、添加人工电子介质[3]以及优化反应器配置[4]。尽管这些方法有效，但通常涉及高成本、复杂的制备过程或潜在的环境风险。

其中，微生物燃料电池（MFC）能够直接将化学能转化为电能，在废水处理[5]、生物传感器[6]和环境修复[7]等领域显示出应用潜力。然而，其有限的功率输出仍然是广泛推广的主要障碍。为了解决这一限制，人们研究了多种策略，特别是通过优化生物膜的结构和功能来改善阳极微生物与电极表面之间的电子转移[8]。

促进电化学活性微生物的生长以形成强健的生物膜可以显著提高功率输出[9]。生物膜的形成过程和电化学性质是影响MFC效率的关键因素[10]。生物膜的电化学活性表明了其将代谢电子传递到阳极的效率[11]，是决定MFC功率输出的关键因素。电化学活性较高的生物膜通常具有更高的电流生成能力、更低的电荷转移电阻和更快的电子传输速度。作为微生物代谢与电子流向电极之间的主要界面，生物膜的结构和功能对MFC的性能至关重要[12]。例如，增加生物膜生物量可以提高电能生成[13]。生物膜中微生物氧化产生的电子通过细胞外电子转移（EET）途径传递到阳极。这些电子通过外部电路流动，在阴极驱动还原反应，这是影响BES效率的关键因素[14]。然而，过厚的生物膜、高内部电阻和受限的底物扩散等因素常常限制这一过程的效率。

BES中的微生物通常以两种形式存在：自由漂浮（悬浮）和形成生物膜（附着）。尽管生物膜已经得到了广泛研究，但悬浮微生物的作用却相对较少受到关注。它们的沉积可以促进生物膜的初始形成，而在生物膜发育早期阶段的代谢活动可能支持电子转移过程[15]。在底物复杂的环境中，悬浮微生物有助于维持生物膜内的代谢平衡[16]或实现互利共生[17]。这些发现表明悬浮微生物的作用可能比之前认为的更为重要。值得注意的是，由于悬浮细胞不断在阳极表面播种和补充微生物，它们的生长动态直接决定了生物膜的定殖、细胞外聚合物物质的分泌以及电子转移蛋白的表达。因此，控制这些微生物的生长可能是增强阳极表面生物膜电化学活性的实际方法。然而，微生物生长、生物膜发育和电化学活性之间的动态相互作用尚不完全清楚。

最近，基于电场叠加的微生物燃料电池和微生物电解池（MFC–MEC）混合系统受到了关注。刘等人[18]开发了共享阳极（SA-MFC-MEC）或共享阴极（SC-MFC-MEC）的配置，证明MEC提供的额外电场增强了生物膜活性并促进了电子转移。为了直接研究悬浮微生物生长对生物膜性能的影响，我们使用了共享阳极的MFC–MEC系统（SA-MFC-MEC），其中外部施加的电场刺激了微生物的生长和电子转移活动。这样做的目的是为了放大悬浮微生物动态对阳极生物膜形成和电化学性能的影响，从而更敏感地检测它们在生物膜发育中的作用。

部分内容摘录

反应器的构建

进行了一项将SA-MFC-MEC系统与单个MFC系统结合的对照实验，结果表明，在相同条件下，SA-MFC-MEC耦合系统的性能显著优于独立的MFC系统[18]。由于这项比较研究是在早期完成的，因此目前的工作仅使用了SA-MFC-MEC系统进行实验（图1）。对于反应器，我们采用了双室H型配置，每个室

MFC-MEC系统的性能

为了研究不同底物浓度对SA-MFC-MEC系统性能的影响，监测了在不同浓度下的工作电压、功率密度曲线和极化曲线[28]（图2）。系统的操作电压如图2a所示。在更换阴极溶液后，操作电压最初上升至最大值，随后逐渐下降直至稳定。在底物浓度为5 g/L和10 g/L时

结论

在本研究中，我们提出了利用悬浮微生物的生长动力学作为调节因素来增强生物膜电化学性能的方法，为提高BES效率提供了一种实用途径。与之前的策略不同，本研究提出的方法仅依赖于微生物的固有生理特性和底物供应的调节。这种基于生物学的驱动方式

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（22469025）和云南省重大科技专项（202302AE090009）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会与本文所述工作产生冲突的竞争性经济利益或个人关系。