综述：微生物电解池中电极的表面特性：废水处理领域的综述

《Environmental Science: Water Research & Technology》：Surface characteristics of electrodes in microbial electrolysis cells: a review on wastewater treatment

微生物电解水系统（MECs）通过耦合废水处理与可再生氢气生产，展示了高效能源回收潜力。研究表明，碳基电极（如石墨纤维）与不锈钢/镍基催化剂组合可达到最高氢气产量（314 m3/m3·d）和COD去除率（95%）。改性电极（如Ni-Co-P涂层）将效率提升近五倍，成本降低50%。然而，实际废水处理中存在微生物群落不稳定性、电极腐蚀及复杂基质抑制等问题，需通过三维电极结构、聚合物-纳米复合材料等创新设计突破技术瓶颈，推动规模化应用。

　　微生物电解池（Microbial Electrolysis Cells, MECs）作为一种新兴技术，正在成为废水处理与可再生能源氢气生产的结合体。MECs通过微生物作用将有机物转化为电能或氢气，其效率高度依赖于电极的设计。这项综述分析了41项研究，涵盖了55种电极组合，揭示了电极材料与表面特性对性能的影响。碳基电极，如石墨毡和碳布，能够实现化学需氧量（COD）去除率高达95%，同时氢气生产速率（HPR）可达0.1至45立方米/立方米反应器/天。金属基电极，尤其是不锈钢（SS304），在COD去除率79% ± 4%的同时，氢气生产速率可达314 ± 17立方米/立方米反应器/天。经过纳米颗粒和聚合物修饰的电极进一步提升了性能：Ni–Co–P涂层使氢气产量比裸金属提升了近五倍，聚合物修饰的碳毡使氢气产量翻倍，同时将COD去除率从25%提升至超过55%。Cu/Ni纳米复合材料则实现了226 A/m2的电流密度，COD去除率超过75%。这些结果表明，经过修饰的电极可以与铂基电极的性能相媲美，而制造成本可降低高达50%。

尽管这些进展令人鼓舞，但MECs仍然面临诸多挑战。大多数研究使用简单的基质，如乙酸盐，而对真实废水条件下的性能研究仍然不足。关键的操作因素，如电极间距、微生物群落工程以及抑制氢气消耗路径的策略，往往缺乏一致的处理方式，且非贵金属电极在腐蚀性环境下的长期耐用性仍需进一步验证。未来，聚合物–纳米复合材料和三维电极架构代表了具有前景的创新方向，这些策略不仅结合了高导电性、生物相容性和表面积，还以较低的成本实现了更高的性能。这些策略已经达到了COD去除率超过80%、氢气产量接近铂基控制的水平，这凸显了它们在推动MECs向规模化、低成本部署方面的潜力。

MECs作为生物电化学系统的一种，其核心在于利用微生物将有机物氧化为电子和质子，这些电子通过外部电路传输，质子则通过电解质迁移至阴极并结合生成氢气。这一过程不仅促进了污染物的降解，还实现了能量回收。在实验室条件下，MECs的氢气产量可以达到300 L/L/d的水平，而在实际废水处理系统中，产量可能更低。因此，研究的重点逐渐转向如何通过优化电极材料和结构，提高MECs在复杂废水中的性能。

目前，MECs的研究主要集中于两种类型的电极材料：碳基电极和金属基电极。碳基电极如石墨块、石墨纤维刷、碳毡和生物炭等，因其良好的导电性和生物相容性而受到青睐。而金属基电极如不锈钢、铁和铂金等，因其高催化活性和导电性也被广泛使用。研究发现，不锈钢电极由于其成本低、耐腐蚀和良好的导电性，是当前研究中最常用的一种材料。此外，镍基电极因其高密度和小晶粒尺寸也表现出良好的性能。例如，使用不锈钢304电极作为阴极和石墨毡作为阳极时，系统可以达到较高的氢气产量和COD去除率。

为了进一步提升MECs的性能，研究者们开始探索电极的表面修饰技术。这些修饰方法包括纳米颗粒的沉积、聚合物涂层以及电化学方法等。例如，Cu/Ni纳米复合材料的使用显著提升了电流密度和氢气产量，而聚合物修饰的碳毡则增强了氢气产量和COD去除效率。这些修饰技术不仅改善了电极的物理和化学特性，还提高了微生物与电极的相互作用，从而增强了系统的整体性能。

然而，尽管表面修饰技术在实验室环境中显示出显著的优势，但在实际应用中仍存在许多挑战。首先，大多数研究仍然局限于合成废水或简单的基质，如乙酸盐，而对真实工业、农业或市政废水的处理效果尚不清楚。其次，操作变量如施加电压、电极间距、水力停留时间和有机负荷的系统优化仍不充分。此外，氢气消耗生物如甲烷生成菌和同型乙酸菌的抑制策略也缺乏长期验证，这限制了系统的稳定性和效率。微生物群落的工程化也是一个未被充分探索的领域，尽管外源电子供体是MECs功能的基础，但如何通过富集或适应策略提高电子传递效率、稳定生物膜并增强对复杂或抑制性基质的耐受性，仍需进一步研究。

材料的长期耐用性也是MECs面临的重要挑战。非贵金属电极如镍、不锈钢、钴和钼等，虽然在成本方面具有优势，但在实际废水环境中容易发生腐蚀、溶解和结垢现象，这会降低其催化活性。虽然可以通过保护涂层和合金优化来改善这些问题，但长期运行测试仍然有限。此外，缺乏标准化的方法论也阻碍了MECs的发展，不同研究在反应器设计、基质浓度和分析方法上的差异，使得跨研究的比较变得困难。技术经济分析和生命周期评估的缺失，也使得MECs在废水处理和氢气生产中的实际成本优势和可扩展性仍存在不确定性。

未来，聚合物–纳米复合材料修饰和三维电极架构被认为是提升MECs性能的重要方向。这些策略不仅结合了高导电性、生物相容性和表面积，还以更低的成本实现了更高的效率。例如，使用聚苯胺（PANI）和石墨烯修饰的不锈钢网电极处理乳制品废水，其氢气产量和COD去除率分别达到了0.805 m3/m3/d和82%，仅比铂金修饰的电极低20%和7%。这表明，聚合物–纳米复合材料在提升性能的同时，也具备显著的成本优势。

三维电极架构的引入则为MECs的性能提升提供了另一种可能。与传统的二维电极相比，三维电极具有更大的表面积，可以促进更多微生物的附着，从而提高电子传递效率。例如，使用三维多孔碳气凝胶作为阳极和铂金作为阴极时，氢气产量显著高于使用碳纤维作为阳极的情况。这些初步研究结果表明，三维电极在废水处理和氢气生产中具有广阔的应用前景。

综上所述，MECs作为一项新兴的废水处理与氢气生产技术，其性能在很大程度上依赖于电极的设计和修饰。当前研究显示，碳基阳极和金属基阴极，尤其是不锈钢和镍电极，能够实现高效的氢气生产与有机物去除。通过纳米颗粒和聚合物的修饰，可以进一步提升电极的性能，使其在成本上更具竞争力。然而，MECs在实际废水处理中的应用仍面临诸多挑战，包括对复杂基质的适应性、长期运行的稳定性以及系统整体效率的提升。未来的研究应更加关注这些关键问题，并推动聚合物–纳米复合材料修饰和三维电极架构的深入探索，以实现MECs在可持续废水处理和可再生能源生产中的规模化应用。