铁颗粒修饰火炬松生物炭阳极提升微生物燃料电池产电性能及废水处理应用研究

为解决微生物燃料电池(MFCs)因阳极材料微生物附着弱导致的功率密度低问题，研究人员通过一步碳化法将铁颗粒修饰于火炬松生物炭(RC@Fe)构建复合阳极。该材料兼具多孔结构与高效电子传递特性，使MFCs最高功率密度达10.5 W m-2，并在啤酒废水处理中实现5.8 W m-2的稳定输出，为MFCs商业化应用提供新策略。

　　

微生物燃料电池(MFCs)被誉为环境治理与能源回收的"双赢"技术，其核心原理是利用电活性微生物分解有机物时产生的电子发电。然而，传统碳基阳极材料如碳布(CC)、碳纸(CP)等因表面光滑、孔隙率低，导致微生物负载量不足，功率密度普遍低于1 W m^-2，严重制约商业化进程。更棘手的是，厚生物膜会阻碍电子传递和物质交换，形成"发电瓶颈"。如何突破阳极材料的性能天花板，成为领域内亟待解决的卡脖子问题。

中国吉林某高校研究团队独辟蹊径，选择具有天然三维骨架的火炬松(Rhus typhina)生物炭为载体，通过创新性的一步碳化法锚定铁颗粒，构建出RC@Fe复合阳极。这一设计巧妙融合了生物炭的拓扑优势与铁的电子传递特性：多孔结构为微生物提供"立体公寓"，而表面铁颗粒则充当"电子高速公路"。研究团队通过SEM观察到铁修饰后的生物炭表面粗糙度显著增加(图1d-f)，BET测试证实其比表面积达248.6 m² g^-1，为微生物定植创造理想环境。电化学测试显示，RC@Fe的电荷转移电阻比纯生物炭降低72%，说明铁颗粒有效促进了胞外电子传递(EET)。

在产电性能测试中，搭载RC@Fe阳极的MFCs展现出惊人的10.5 W m^-2功率密度，较传统碳材料提升近13倍。更令人振奋的是，在处理实际啤酒废水时仍保持5.8 W m^-2的高输出，且连续运行140天未出现性能衰减。通过荧光显微镜和qPCR分析，研究人员发现铁颗粒能诱导电活性菌Geobacter形成单层生物膜，这种"薄而密"的结构既保证电子传递效率，又避免代谢物堆积。XPS分析进一步揭示，Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对在界面电子转移中起关键作用。

该研究突破性体现在三方面：首先，RC@Fe制备工艺简单，成本仅为纳米材料的1/5，具备规模化潜力；其次，首次证实单层生物膜结构可同时优化电子传递和物质传输；最后，在实际废水处理中验证了技术可行性。论文通讯作者Chengri Yin指出，这项成果为MFCs从实验室走向工程应用提供了关键材料支撑，未来可通过调控金属-生物炭组合进一步挖掘性能潜力。

主要技术方法
研究采用一步碳化法制备RC@Fe阳极：将火炬松生物质浸渍FeCl₃溶液后冻干，在氮气氛围下800°C碳化2小时。通过SEM、XRD、BET等技术表征材料形貌与孔隙结构，采用循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)评估电化学性能。以Geobacter富集菌群为接种体，在双室MFCs中测试产电性能，并利用啤酒废水验证实际应用效果。

研究结果

1. 阳极材料特性：SEM显示RC@Fe保留三维多孔结构，铁颗粒均匀分布(20-50 nm)。XRD证实存在Fe⁰和Fe₃O₄晶相，协同促进电子转移。
2. 电化学性能：RC@Fe的氧化峰电流达2.1 mA cm^-2，是纯生物炭的3.2倍，电荷转移电阻仅19.8 Ω。
3. 微生物群落：qPCR显示RC@Fe上Geobacter相对丰度达68.5%，其c-type细胞色素基因表达量提升4.7倍。
4. 实际应用：处理COD为5200 mg L^-1的啤酒废水时，COD去除率保持85%以上，库伦效率达31.2%。

结论与意义
该研究开创性地将生物炭天然结构与金属催化特性相结合，解决了MFCs阳极材料微生物负载量与电子传递效率难以兼得的矛盾。RC@Fe阳极在保持低成本优势的同时，功率密度突破10 W m^-2大关，达到商业化应用门槛。更重要的是，研究揭示了铁颗粒促进单层生物膜形成的机制，为后续阳极设计提供理论指导。这项发表于《Renewable Energy》的成果，不仅推动MFCs技术向实际工程迈进，也为"以废产能"的可持续发展模式提供新思路。