OneWater驱动的废物转化为能源的创新技术：用于集成能源生产和废水再利用的电活性聚合物-金属氧化物纳米结构

《Environmental Research》：OneWater-Driven Waste-to-Watt Innovation: Electroactive Polymer–Metal Oxide Nanostructures for Integrated Energy Production and Reuse of Wastewater

本研究开发基于PPy-TiO?纳米复合材料的生物阳极，通过XRD、SEM等表征证实其均匀结构，显著降低电荷转移电阻，提升微生物燃料电池性能。在Citrobacter freundii催化下，PPy-TiO?/NF电极实现峰值电压998 mV，功率密度2411 mW/m2，COD去除率达86.4%，并成功串联运行驱动LED照明，证明其作为可持续水-能源循环系统的可行性。

　　

Lakeswer Dadsena|Tungabidya Maharana|Satya Eswari Jujjavarapu

印度恰蒂斯加尔邦赖布尔国家技术学院化学系，492010

摘要：

“OneWater”范式强调水资源的综合和循环管理，推广能够同时解决水资源短缺、能源需求和环境可持续性的技术。微生物燃料电池（MFC）通过将有机污染物转化为可再生生物电能来处理废水，从而实现这些目标。在这项研究中，基于聚吡咯-二氧化钛（PPy–TiO₂）纳米复合材料的高性能生物阳极被开发出来，并应用于镍泡沫（PPy–TiO₂/NF）和石墨片（PPy–TiO₂/GS）基底上，以提高电化学活性和微生物电子转移效率。全面的结构表征（XRD、FTIR、SEM、TEM、SAED、EDX）证实了锐钛矿相TiO₂在导电PPy基质中的均匀掺入，形成了多孔且具有电活性的表面。电化学分析显示，PPy–TiO₂/NF的电荷转移阻力显著降低，伪电容行为得到增强，从而提升了MFC的性能。当使用Citrobacter freundii进行实验时，PPy–TiO₂/NF阳极达到了998 ± 10 mV的峰值电压、2411 ± 30 mW/m²的最大功率密度、2416 ± 25 mA/m²的电流密度，以及86.40 ± 0.8%的COD去除率和35.56 ± 1.7%的库仑效率。在三维镍泡沫支架上形成的致密且活性的生物膜进一步促进了电子的回收。为了评估实际的可扩展性，三个基于PPy–TiO₂/NF的MFC单元成功串联连接，产生的电压超过2.0 V，足以点亮一个LED灯泡。处理后的出水经过紫外线消毒后，可安全用于非饮用用途，如景观灌溉，这展示了废水处理、能量回收和水资源再利用的直接整合。

引言

生物电化学系统（BES）是一类有前景的可持续技术，它们通过微生物代谢从有机物中提取能量（Arun等人，2024年）。其中，微生物燃料电池（MFC）因其能够同时处理废水并通过微生物氧化有机底物产生电能而受到广泛关注（Sharma等人，2024年）。在MFC中，微生物在阳极上定殖并氧化有机化合物，释放的电子通过外部电路流动，而质子则通过离子交换膜迁移到阴极。在阴极处，电子、质子和氧气结合形成水，完成氧化还原反应（Daud等人，2024年）。这一过程的效率在很大程度上取决于阳极的物理化学性质，这些性质决定了细菌的附着、细胞外电子转移（EET）和长期稳定性（Dadsena等人，2025年）。较差的微生物附着、较高的界面电阻和有限的表面积仍然是实现高功率发电的主要障碍（Kamali等人，2023年）。

理想的MFC阳极必须具有生物相容性、高导电性、机械稳定性、耐腐蚀性，并且具有较大的表面积，以支持密集的生物膜形成和高效的电子转移（Hassanzadeh等人，2024a；Prathiba等人，2025a）。

导电聚合物，特别是聚吡咯（PPy），因其高电导率、可逆的氧化还原行为和环境稳定性而成为有前景的选择（Kamali等人，2025年）。PPy的一个显著优势是其带正电的聚合物骨架，这促进了与带负电的细菌细胞表面的静电相互作用，增强了生物膜的形成并加速了电子的传递（Geetanjali等人，2019年）。尽管有这些优势，单独使用PPy时往往存在表面积有限、催化活性不足和长期运行时结构不稳定的问题。为了解决这些问题，最近的研究探索了将PPy与功能性无机纳米材料结合的方法（Wu等人，2018年）。

虽然二氧化钛（TiO₂以其光催化性能而闻名，但在这里选择它是因为其在电化学上的稳定性、生物相容性、高表面积以及在厌氧条件下的伪电容行为（Dehghanian等人，2025年）。其纳米级形态增强了离子和电子的传输，提高了电容性能和微生物的附着能力。然而，单独的TiO₂在质子介质中的导电性较低。因此，将TiO₂与PPy结合提供了一种协同的方法，以实现导电性和催化稳定性的双重目标（Chowdhury等人，2023年；Gao等人，2014年）。

将PPy与TiO₂结合产生的纳米复合材料结合了两种材料的优点。PPy提供了氧化还原活性和连续的电子传输路径，而TiO₂则增强了表面积、孔隙率和结构稳定性。由此形成的互连、电活性和生物相容的网络比单独使用任何一种材料都能更有效地降低电荷转移阻力并促进密集的生物膜形成（Enaiet Allah和Mohamed，2024年；Kuznetsova等人，2023年）。

已经报道了多种基于PPy的阳极，但它们的材料设计、电极结构和性能与本研究中开发的PPy–TiO₂系统有很大不同。例如，碳基底上的PPy–MoO₃和石墨上的PPy@Co₃O₄分别仅实现了380 mW/m²和247.89 mW/m²的较低功率密度（Hassanzadeh等人，2024b；Zhu等人，2024a）。尽管PPy–TiN/生物炭组合实现了2.86 W/m²的功率密度，但它依赖于生物炭的导电性且缺乏三维电子传输框架（Jing等人，2025年）。相比之下，本研究中开发的PPy–TiO₂混合物则结合在高度导电的三维镍泡沫支架上。这种结构实现了2411 ± 20 mW/m²的功率密度，比PPy@Co₃O₄石墨和PPy–TiN复合材料有显著提升，并且具有更好的机械稳定性及更简单的制造工艺。此外，早期的基于PPy的系统主要关注发电，而本研究还展示了86.4% ± 0.8%的COD去除率和35.56 ± 1.7%的库仑效率，表明了更全面的废水到能量的回收能力。这些改进清楚地证明了PPy–TiO₂/NF和PPy–TiO₂/GS作为下一代生物阳极材料的优越性。

基于这些优势，本研究开发并评估了经过PPy–TiO₂纳米复合材料改性的镍泡沫（PPy–TiO₂/NF）和石墨片（PPy–TiO₂/GS）电极。三维多孔镍泡沫提供了高导电性的电子传输路径和较大的表面积，而石墨片则作为一种成本效益高的碳基底，有利于细菌的附着。纳米复合材料通过化学氧化聚合合成，以确保TiO₂的均匀分散和聚合物-氧化物之间的强相互作用。使用Citrobacter freundii作为电活性微生物和乙酸钠作为碳源，构建了一个双室MFC系统。

Citrobacter freundii被选为生物催化剂，因为它是一种兼性厌氧菌，适应废水环境，并具有高效的底物降解和电子转移能力（Aiswarya等人，2025年）。其代谢灵活性、对缺氧环境的耐受性以及在电子传递中的重要作用使其成为MFC应用的有效候选者。先前的研究表明C. freundii能够在改性的电极表面上形成导电生物膜并积极参与电子传递（Huang等人，2015a；Xu和Liu，2011年）。在本研究中，生长条件维持在28–30 °C和pH 6.8–7.2，使用合成废水作为碳源。稳定的电压输出、COD去除效率和在PPy–TiO₂电极上形成的密集生物膜证实了C. freundii在所开发的MFC系统中的强适应性和产电活性（Huang等人，2015b；Kumar和Jujjavarapu，2023a；Wei等人，2025年）。

本研究中开发的PPy–TiO₂/NF和PPy–TiO₂/GS电极不仅代表了材料创新，还支持与“OneWater”原则相一致的更广泛的环境目标。通过将传统上被视为废物处理的市政或工业废水转化为清洁水和生物电能的可再生资源，这种纳米复合材料增强的MFC作为一种分散式的基于自然的解决方案（NBS）。该混合系统通过实现低能耗、离网的废水处理，适用于城市和农村环境，补充了绿色基础设施。此外，它支持替代水源的获取，并通过生成可用于非饮用用途的处理后的出水，减轻了对淡水供应的压力。通过将工程化的生物电化学过程与循环水-能源循环相结合，本研究展示了一种在可持续水资源治理框架内实施“OneWater”策略的可扩展路径。

化学物质

聚吡咯（98%，Sigma-Aldrich）被用作聚吡咯合成的单体。使用的其他化学品包括三氯化铁（FeCl₃，97%，Merck）、高锰酸钾（KMnO₄，99%，Merck）、乙醇（98%，Sigma-Aldrich）、二氧化钛（≥99%，Sigma-Aldrich，微量金属含量）、盐酸（HCl，36%，Sigma-Aldrich）、1-甲基-2-吡咯里酮（无水，≥99.5%，Sigma-Aldrich）和聚偏二氟乙烯（PVDF，Sigma-Aldrich，分子量约999 g/mol），均按原样使用，无需进一步纯化。

所有溶液

电极材料表征

通过X射线衍射（XRD）分析来研究PPy和PPy–TiO₂纳米复合材料的结构特性，并验证TiO₂在聚合物基质中的成功掺入。如图2a所示，纯PPy显示出以大约19°为中心的宽衍射带，证实了其主要是非晶态。相比之下，PPy–TiO₂纳米复合材料显示出多个清晰且定义明确的衍射峰，表明其结构有序性有所提高

结论

在这项工作中，使用镍泡沫和石墨片作为低成本且可扩展的基底，成功开发了一种多孔且高导电性的PPy–TiO₂纳米复合电极。PPy–TiO₂/NF阳极表现出出色的电化学性能，峰值电压为998 ± 10 mV，最大功率密度为2411 ± 30 mW/m²，电流密度为2416 ± 25 mA/m²，以及提高的废水处理效率（COD去除率为86.40 ± 0.8%，库仑效率为35.56 ± 1.7%）。这些发现清楚地表明了

CRediT作者贡献声明

Lakeswer Dadsena：撰写原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析。Satya Eswari Jujjavarapu：撰写与编辑、监督、软件使用、研究、正式分析、数据管理、概念构思。Tungabidya Maharana：撰写与编辑、监督、软件使用、资源管理、数据管理

未引用的参考文献

Enaiet和Mohamed，2024年；Gnana Kumar等人，2014年。

伦理批准和参与同意

不适用

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

本文描述的研究没有使用任何数据

资助

作者还感谢印度社会正义与赋权部提供的财政支持，以便在NFOBC-JRF项目下进行博士研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢印度赖布尔国家技术学院提供进行实验和准备手稿所需的设施，并允许发表该成果。