利用榴莲壳生物质制备富氮多孔微生物燃料电池阳极实现染料降解与同步产电的创新研究

针对传统染料废水处理能耗高、效率低的问题，研究人员通过原位聚合吡咯改性碳化榴莲壳(PPy-DSC/CF)，开发出兼具高导电性、超亲水性和生物相容性的3D大孔阳极材料。该材料使微生物燃料电池(MFC)功率密度达5184 mW/m3，COD去除率91.26%，RhB降解率96.36%，为生物质碳电极在能源-环境协同治理领域提供新策略。

　　

【研究背景】

纺织工业排放的难降解偶氮染料废水严重威胁水体生态，传统处理方法存在能耗高、二次污染等问题。微生物燃料电池(MFC)技术虽能同步实现污染物降解与生物产电，但其核心瓶颈在于阳极材料的电子传递效率(EET)和微生物负载能力。榴莲壳(DS)作为东南亚地区大量产生的农业废弃物，具有高纤维素含量(60.5%)和天然多孔结构，是制备生物质碳的理想原料。

【研究团队与方法】

中国国家自然科学基金资助项目团队通过高温碳化结合吡咯原位聚合技术，以碳毡(CF)为基底构建了PPy-DSC/CF复合阳极。主要技术包括：1) 热重分析确定DS最佳碳化温度；2) 电化学活化法引入氮掺杂(N-doping)；3) 聚吡咯(PPy)修饰增强导电性；4) 电化学阻抗谱(EIS)评估电荷转移阻力(1.18 Ω)；5) 16S rRNA测序分析阳极生物膜群落结构。

【研究结果】

1. Structural and topographical properties：

   TG-DSC分析显示碳化过程分三阶段，最终获得石墨化程度提高的富氮结构。SEM证实材料具有20.05 m²/g比表面积的三维大孔网络，XPS显示吡咯-N含量显著增加。

2. Electrochemical performance：

   PPy-DSC/CF阳极的电荷转移效率比对照组提升3.8倍，线性扫描伏安法(LSV)显示氧化峰电流密度达2.71 mA/cm²，功率密度(5184 mW/m³)较传统碳毡阳极提高217%。

3. Degradation and power generation：

   在含50 mg/L RhB的模拟废水中，COD去除率与染料脱色率分别达91.26%和96.36%，循环伏安曲线(CV)证实电子转移是催化降解的主要途径。

4. Microbial community analysis：

   阳极生物膜中Geobacter(28.7%)和Pseudomonas(19.3%)等电活性菌(EAMs)显著富集，其分泌的细胞外聚合物(EPS)形成保护性生物膜。

【结论与意义】

该研究首次将榴莲壳生物质转化为高性能MFC阳极，通过PPy修饰构建的吡咯-N活性位点协同三维孔道结构，实现了：1) 电子转移路径优化；2) 微生物负载量提升；3) 污染物降解-产电效能协同增强。相比玉米芯基阳极节省50%成本，为农业废弃物资源化与新能源开发提供创新范式，相关成果发表于《Bioresource Technology》。研究突破传统电极材料限制，推动MFC技术在工业废水处理领域的实用化进程。