综述：微生物燃料电池废水处理系统以提高发电效率为目标的最新方法：目标、挑战与机遇

这篇综述系统评估了微生物燃料电池（MFCs）在废水处理与生物发电领域的最新进展，聚焦阳极材料优化（如过渡金属氧化物、导电聚合物）、阴极氧还原反应（ORR）催化剂创新（如MOFs、单原子催化剂）、系统构型设计（多阳极/无膜结构）及添加剂（零价铁纳米颗粒）等策略，提出MFCs在实现联合国SDG 6（清洁水）和SDG 7（可再生能源）目标中的潜力，同时指出功率密度低、经济性差等瓶颈需突破。

　　

微生物燃料电池的运作机制

微生物燃料电池（MFCs）是一种将生物催化氧化还原反应与非生物电化学过程结合的前沿技术。其核心在于电活性细菌在阳极分解有机物时释放电子，通过外电路传递至阴极完成氧还原反应（ORR），实现废水净化与电能输出的双重目标。典型MFC系统分为双室（含质子交换膜）和单室（无膜）构型，后者因简化结构更受关注。

效率提升的关键策略

阳极材料革新：过渡金属氧化物（如MnO₂）、导电聚合物（聚苯胺）和生物质衍生碳材料显著提升电子传导率，其中碳纳米管修饰阳极使功率密度提高3倍。
阴极催化剂突破：金属-有机框架（MOFs）和MXene基催化剂将ORR过电位降低至<0.3V，单原子铁催化剂更展现出接近铂的活性。
系统构型创新：多阳极堆叠设计将处理能力提升200%，而无膜MFCs通过流体动力学优化减少内阻。
底物增效：添加零价铁纳米颗粒（nZVI）促进微生物代谢，木质纤维素废弃物作为缓释碳源延长系统稳定性。

规模化困境与未来方向

尽管实验室规模MFCs可实现80%COD去除率和1.5W/m³的功率输出，但放大过程中暴露出电极成本高（占总成本60%）、阴极生物污垢等问题。解决路径包括开发廉价电极材料（如废弃生物炭）、优化微生物群落互作机制，以及探索模块化集装箱式MFCs的工程化应用。

环境效益与政策契合

MFCs技术完美呼应联合国可持续发展目标（SDGs），其每处理1吨废水可减少2.1kgCO₂当量排放，同时产生的电能可反哺处理设施。未来需通过政策激励（如碳税优惠）推动产-学-研合作，加速技术从实验室走向污水处理厂。