FeS2 /MoS2 修饰生物质气凝胶阳极的构建及其在微生物燃料电池高效处理高浓度废水中的应用

针对传统微生物燃料电池(MFC)阳极材料在高浓度废水处理中导电性差、生物相容性低等问题，研究人员创新性地将海藻酸钠气凝胶(SC)/聚丙烯酰胺气凝胶(AM)与FeS2 /MoS2 复合，开发出新型阳极材料。该材料通过双金属硫化物的协同效应暴露催化活性位点，结合气凝胶的多孔结构提升比表面积，使COD去除率达90%以上，峰值功率密度提升至1.88 W/m2 ，为MFC技术在高浓度废水处理中的应用提供了经济高效的解决方案。

　　

随着化石燃料的日益枯竭和工业化进程加速，开发环境友好型可持续能源技术迫在眉睫。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)作为一种可再生能源技术，能够利用微生物代谢将有机废物化学能直接转化为电能，在造纸、纺织、制药等高浓度废水处理领域展现出巨大潜力。然而，传统碳基阳极材料因疏水性、比表面积有限等问题，难以支撑高浓度废水中的微生物附着与电子传递；而金属阳极虽导电性好，却易腐蚀且成本高昂。更严峻的是，高浓度有机物会导致微生物代谢负担加重，过厚的生物膜反而阻碍电子转移——这些瓶颈严重制约了MFC技术的实际应用。

针对这一挑战，广西自然科学基金等项目支持的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表创新成果。他们首次将生物质衍生的海藻酸钠气凝胶(Sodium Alginate Aerogel, SC)/聚丙烯酰胺气凝胶(Acrylamide Aerogel, AM)与FeS₂
/MoS₂
复合，构建出兼具高导电性和优异生物相容性的新型阳极材料。研究采用真空冷冻干燥法制备气凝胶基底，通过水热法合成FeS₂
/MoS₂
异质结构，并利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等技术表征材料特性。实验选用6000 mg/L COD模拟高浓度废水，以泡沫碳阳极作为对照，系统评估了材料的电化学性能与污水处理效率。

材料表征揭示结构优势
电镜观察显示，MoS₂
纳米片与FeS₂
纳米颗粒垂直交错形成致密网络结构，气凝胶基质成功锚定FeS₂
并包裹层状MoS₂
。这种设计使比表面积显著增加，XPS分析证实材料中存在Fe²⁺
/Fe³⁺
和Mo⁴⁺
/Mo⁶⁺
多价态氧化还原对，为电子传递提供丰富活性位点。

电化学性能突破
在6000 mg/L COD废水中，SC(900)-FeS₂
@MoS₂
阳极的峰值开路电压达686 mV，功率密度(1.88 W/m²
)和电流密度(7.55 A/m²
)分别是泡沫碳阳极的1.77倍和1.21倍。电化学阻抗谱(EIS)显示电荷转移电阻降低58%，证实复合结构有效加速了胞外电子传递(EET)。

污水处理效能卓越
该阳极COD去除率超过90%，远高于传统碳基材料的78.12%。气凝胶的三维多孔结构为微生物提供理想附着位点，16S rRNA测序显示电活性菌Geobacter丰度提升3.2倍，表明材料显著促进功能微生物富集。

这项研究通过生物质材料与双金属硫化物的创新结合，解决了MFC阳极在高浓度废水环境中的性能衰减难题。FeS₂
/MoS₂
异质结构不仅提升电催化活性，其多价态特性还调控细胞色素与阳极间的电子传递；而气凝胶基质通过增大比表面积和改善亲水性，创造了更有利的微生物栖息环境。该工作为开发低成本、高效率的MFC阳极提供了新思路，对推动废水处理与能源回收一体化技术发展具有重要实践意义。研究团队特别指出，未来可通过优化气凝胶交联度和金属硫化物负载比例，进一步提升材料的长期稳定性与规模化应用潜力。