综述：用于可持续能量回收的3D打印OMFC超级电容器混合体

《Next Energy》：3D-Printed OMFC-supercapacitor hybrids for sustainable energy recovery

渗透微生物燃料电池（OMFC）与3D打印技术结合，通过定制电极结构、孔隙率和材料组成，解决了传统OMFC的规模化难题、启动时间过长及成本高昂问题。堆叠OMFC与超级电容器（SC）集成，显著提升能源输出稳定性与功率密度，同时实现废水处理与能源回收。研究展示了3D打印在电极、膜组件及反应器模块化设计中的优势，为OMFC-SC系统的商业化提供了创新路径，尤其在可持续能源与废水处理领域具有广泛应用前景。

　　随着全球人口增长、城市化和工业化的加速发展，世界能源需求持续上升，同时气候变化和水资源短缺成为日益严峻的环境问题。面对这些挑战，科学家们正积极寻求可持续和可再生能源解决方案，如太阳能、风能、生物质能以及燃料电池等。在这一背景下，微生物燃料电池（MFC）和渗透能微生物燃料电池（OMFC）技术因其在清洁水生产和生物能源生成方面的潜力而受到广泛关注。OMFC结合了渗透能（FO）和MFC的优势，能够同时实现水净化和生物电能的产生。然而，尽管OMFC具有广阔的应用前景，其在实际工业应用和大规模商业化方面仍面临诸多挑战，包括复杂的反应器设计、较长的启动时间以及大规模系统制造过程中的高成本和繁琐操作。为了解决这些问题，将三维打印（3DP）技术与OMFC相结合被视作一种极具前景的策略。

三维打印技术是一种通过逐层堆叠材料来制造三维结构的先进制造方法，相较于传统的模具制造、机加工或分体组装方式，它能够实现更快速、更精确的定制化生产。3DP特别适用于制造OMFC的组件，如电极、反应器和膜材料。这种技术的优势在于能够精确控制表面特性、孔隙率和几何结构，这些都是微生物电化学系统的关键要素。传统方法通常缺乏这种空间灵活性和精确性，导致系统性能不均一以及复杂的组装过程。而3DP能够一次性制造集成化结构，如反应室、电极和分离膜，从而提升系统对齐度、降低内部电阻并减少机械故障点。此外，3DP还可以利用生物或功能性材料，如多孔碳复合材料、导电聚合物甚至含有活体微生物的墨水，以提升OMFC的发电能力和水回收效率。

为了克服OMFC的工业化挑战，研究者们正在探索3DP在反应器设计、电极制造和系统集成中的应用。3DP技术能够显著缩短OMFC系统的启动时间，因为打印过程中细菌菌落能够保持活性并部分附着。相比传统电极如碳布或石墨棒，在相似条件下，使用3DP技术制造的生物电极可在9至12小时内实现可测量的电流输出。这为OMFC在实际应用中的快速部署提供了可能。此外，3DP还能通过多层堆叠结构设计，提高OMFC系统的整体性能。例如，使用3DP技术构建的OMFC-超级电容器（SC）堆叠系统可以实现高效的生物电能生产和储存，同时还能从废水处理中获取纯净水。这种设计不仅提高了系统的整体输出，还减少了材料浪费，避免了人为错误，为大规模制造提供了便利。

3DP在OMFC-SC系统中的应用还展示了其在材料选择和性能优化方面的潜力。研究表明，某些高性能电极材料，如石墨烯、碳纳米管（CNTs）和MXene，能够显著提升电子传递效率和电化学性能。这些材料在3DP过程中可以与导电填料结合，形成具有高电导率和良好机械性能的复合结构。同时，3DP还能制造具有特定表面化学性质的电极，如含有氨基、羟基或氟基的电极，这些基团有助于促进微生物附着和氧化还原反应。此外，3DP技术能够通过调整电极的孔隙率和结构复杂度，提高离子扩散效率和电活性位点的可访问性，从而优化系统的整体性能。

然而，3DP技术在OMFC-SC系统中的应用仍然面临一些挑战。首先，不同的3DP技术具有不同的分辨率限制，这对电极和膜材料的制造精度提出了更高的要求。例如，FDM技术虽然具有较高的打印速度和成本效益，但其分辨率相对较低，可能导致不均匀的生物膜形成。相比之下，DIW和DLP等技术能够实现更高的分辨率，适用于制造具有精细结构的电极和膜组件。此外，3DP打印材料的选择也对系统的长期稳定性和兼容性产生重要影响。例如，PLA等生物可降解材料虽然成本较低且环境友好，但在高湿度、高盐度或pH变化的条件下容易发生机械降解或电导率下降。因此，开发兼具导电性和生物相容性的可打印复合材料成为未来研究的重点。

另一个关键挑战是3DP技术在大规模生产中的经济性和标准化问题。尽管3DP能够提供高度定制化的解决方案，但其打印速度相对较慢，且所需的导电墨水或丝材（如碳、银或石墨烯）成本较高，这限制了其在工业规模上的应用。此外，缺乏自动化的质量控制和标准化的制造流程，使得大规模生产中的均匀性和一致性难以保证。因此，为了推动3DP在OMFC-SC系统中的应用，需要进一步优化制造工艺，降低成本，并提高材料的耐用性。

尽管存在上述挑战，3DP在OMFC-SC系统中的应用仍展现出巨大的潜力。例如，通过3DP技术制造的多孔电极能够为微生物提供更大的附着面积，从而提升生物膜的形成效率和电子传递速率。同时，3DP技术还能够制造出具有复杂几何结构的反应器组件，提高系统的整体效率和稳定性。此外，将SC与OMFC堆叠结合，可以实现生物电能的高效存储和释放，从而满足不同应用场景下的能源需求。例如，一些研究已经展示了使用3DP技术制造的SC系统能够实现高能量密度和高功率密度，为OMFC-SC的商业化应用提供了可能。

在未来的应用前景中，OMFC-SC系统有望成为解决全球能源和水资源问题的重要工具。随着全球对可再生能源和可持续水资源处理技术的需求不断增加，OMFC-SC技术能够同时实现生物电能的生产和水的净化，这使其在分散式能源系统和废水处理领域具有广阔的应用前景。此外，3DP技术与智能材料和人工智能（AI）的结合，可能进一步提升OMFC-SC系统的性能和稳定性。例如，通过使用刺激响应性材料（如热敏、pH敏感或氧化还原敏感的聚合物），可以动态调节微生物的附着和脱落，从而减少生物膜污染并提升系统的长期运行效率。同时，AI驱动的系统控制能够实时监测和优化运行参数，如生物膜生长、流速和电阻，从而提高系统的稳定性和输出功率。

为了实现OMFC-SC技术的商业化应用，还需要在多个方面进行进一步研究和优化。例如，开发更具成本效益的导电材料和优化3DP制造工艺，以实现大规模生产。此外，还需要探索新的材料组合和结构设计，以提高系统的电化学性能和机械稳定性。同时，通过结合先进的制造技术（如3DP与模具制造或激光烧结）和智能化控制手段，可以进一步降低系统的整体成本，并提高其在实际应用中的可靠性和效率。

综上所述，3DP技术为OMFC-SC系统的开发和优化提供了全新的可能性。通过精确控制电极和膜材料的结构和性能，3DP能够显著提升系统的生物电能生产和水净化效率。尽管在实际应用中仍面临一些挑战，如材料的长期稳定性和经济性，但随着技术的不断进步和材料科学的发展，3DP有望成为推动OMFC-SC系统走向工业化和商业化的重要工具。未来的研究应聚焦于优化3DP工艺参数、开发新型可打印材料以及结合智能控制技术，以实现更高效、更经济的OMFC-SC系统设计。这不仅有助于应对全球能源和水资源危机，还可能为可持续发展提供新的解决方案。