综述：淀粉基复合电极在生物电化学系统中可持续能源应用的开发

这篇综述系统阐述了淀粉基复合电极在生物电化学系统（BES）中的创新应用，重点探讨了通过碳纳米管（CNTs）、石墨烯（GO）和聚苯胺（PANI）等导电填料增强其电化学性能的策略，为微生物燃料电池（MFCs）和微生物电解池（MECs）提供了低成本、可降解的可持续电极解决方案。

　　

化学组成与淀粉结构

淀粉作为由直链淀粉（amylose）和支链淀粉（amylopectin）组成的天然多糖，其α(1→4)和α(1→6)糖苷键结构赋予其独特的生物相容性和可改性潜力。然而，天然淀粉的绝缘性限制了其在电极中的应用，需通过复合导电材料克服这一缺陷。

淀粉基复合电极的开发

通过将淀粉与碳纳米管（CNTs）、石墨烯氧化物（GO）等导电材料复合，显著提升了电极的电导率和机械稳定性。例如，添加10% CNTs的淀粉复合材料可使电导率提高3个数量级，同时保持80%以上的生物降解性。

电化学表征技术

循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）分析表明，淀粉-聚苯胺（PANI）复合电极在0.5 A/g电流密度下比电容达320 F/g，优于传统碳电极。线性扫描伏安法（LSV）进一步验证了其优异的电子转移效率。

微生物燃料电池（MFCs）中的应用

在MFCs中，淀粉-CNTs复合电极的功率密度可达4.3 W/m²，接近铂基电极水平。其多孔结构促进了微生物生物膜的形成，将废水化学需氧量（COD）去除率提升至92%。

环境与经济效益

生命周期评估显示，淀粉电极的碳排放量较传统材料降低60%，且原料成本仅为石墨电极的1/5。其在自然环境中6个月内可降解90%以上，避免了电子垃圾污染。

未来研究方向

前沿探索聚焦于二维材料MXene与淀粉的复合，以及3D打印技术定制电极微结构。需解决长期运行中微生物膜脱落导致的性能衰减问题，推动其工业化应用。

结论

淀粉基复合电极通过“绿色”设计平衡了性能与可持续性，为BES领域提供了兼具CO₂减排和废物资源化潜力的创新解决方案。