综述：混合光催化-微生物燃料电池系统：在水-能源-环境关联中的进展、挑战与展望

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Hybrid photocatalytic–microbial fuel cells systems: Progress, challenges, and forecasts in water-energy-environment nexus

本文综述光催化微生物燃料电池（photo-MFC）系统，分析其协同降解污染物与发电机制、电极材料与反应器设计创新，探讨功率密度低、催化剂寿命短等挑战，并展望3D打印电极和机器学习优化等未来方向。

　　

拉比亚·塔萨杜克·侯赛因（Rabia Tasaduq Hussain）| 巴拉·H·阿南达帕德马纳班（Baala H. Anandapadmanaban）| 林志文（Chi-Wen Lin）| 刘书慧（Shu-Hui Liu）| 贾恩·哈斯林达·沙里富丁（Jun Haslinda Shariffuddin）

马来西亚彭亨大学化学与过程工程技术学院 阿尔-苏丹阿卜杜拉大学（Universiti Malaysia Pahang Al-Sultan Abdullah） 坦·卡利尔·雅各布大道（Lebuhraya Persiaran Tun Khalil Yaakob） 甘榜（Gambang），关丹彭亨（Kuantan Pahang）26300，马来西亚

摘要

随着对可持续水净化和可再生能源回收需求的不断增长，混合光催化-微生物燃料电池（photo-MFC）系统已成为环境工程领域的前沿技术。这种耦合配置将半导体驱动的氧化还原反应与生物电化学能量转换相结合，形成一个既能降解污染物又能发电的自我维持过程。本文深入探讨了混合光催化-MFC系统的进展、机制、类型及设计创新，特别关注了电荷转移途径、光催化剂、电极与电活性生物膜之间的物理化学相容性，以及反应器结构对系统性能的影响。同时分析了可见光响应半导体、纳米结构电极和集成反应器架构在提高光子利用率和电子回收率方面的关键进展。文章还指出了目前存在的挑战，如功率密度、催化剂耐久性、生物污染和可扩展性问题。最后，本文展望了未来发展趋势，包括3D打印生物炭电极、基于机器学习的反应器优化以及工业应用所需的技术经济评估。通过整合多学科领域的知识，本文为推动混合光催化-MFC技术向循环经济和能源正向处理方向发展提供了战略路径。

引言

随着全球对可持续水资源管理需求的增加以及能源危机的加剧，研究人员更加关注污染控制和能源回收问题。传统的废水处理方法（如生物氧化、厌氧消化或物理化学分离）通常能耗较高，会产生二次废物，并且难以有效降解顽固性有机污染物[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。光催化过程和微生物燃料电池（MFC）是两种互补的环境修复和能源回收技术。光催化剂常用于在光照条件下氧化有机污染物和染料[6]、[7]；而MFC则利用微生物代谢将可生物降解的底物转化为电能[8]、[9]。光催化过程（光化学氧化还原）与MFC（生物化学氧化）的结合提供了一种强大的协同效应，显著提升了降解效率和能量转换效率[10]。 因此，环境工程师现在致力于整合可再生能源和催化技术以实现多功能应用。其中，混合光催化-微生物燃料电池（photo-MFC）系统因其能够同时氧化降解污染物并发电而受到广泛关注[11]、[12]。该系统通过生物电化学系统（BES）利用太阳能，直接将化学能和太阳能转化为电能，同时净化废水，符合循环经济和低碳废水管理的原则[10]、[13]。除了修复作用外，混合光催化-MFC在资源回收方面也有广泛应用前景，例如营养物质回收、氢气生产及沼气增强[14]、[15]、[16]。此外，MFC可作为光催化过程的能源来源，或光催化处理后的废水可在MFC中进一步处理以减少污染物；光化学预处理还能提升混合光催化-MFC的效率[17]。这些多功能特性使其成为下一代可持续水系统的关键技术。

尽管混合光催化-MFC具有巨大潜力，但其广泛应用仍面临诸多挑战。主要技术难题包括：(i) MFC的功率密度较低；(ii) 光催化组件的太阳能转化效率不足；(iii) 材料成本较高；(iv) 反应器可扩展性受限。本文系统阐述了单独使用光催化剂和MFC的基本原理，为其性能提供了基础理解。随后，总结了文献中报道的各种耦合策略，强调了不同混合配置的优势和局限性。尽管这些系统在物理上实现了集成，但其整体效率仍受电极和催化剂材料选择、反应器设计、传输过程及动力学等因素的影响。文章还详细讨论了混合光催化-BES的实际应用、现有技术瓶颈及未来研究方向，强调了继续研究的必要性和紧迫性。 为有效利用可见光并增强电活性生物膜与光催化剂之间的协同作用，本文提出了一种3D生物电极和反应器的设计方案，从而减少电荷重组，显著提高功率输出和污染物降解效率，提升工业可行性。包含光催化阳极和微藻阴极的光反应器的构建有助于污染物还原、水质净化、生物质生产及生物电力的生成。通过整合多学科知识，本文旨在指导研究人员和工程师合理设计混合光催化生物电化学反应器，为清洁能源回收和可持续水处理带来变革潜力。

方法论

数据收集与分析来自200篇权威来源的文献，包括期刊、书籍和书籍章节。其中117篇文献被选用于本综述的数据提取。我们使用“混合光催化MFCs”、“先进光催化反应器和混合MFCs”、“废水处理中的光催化电池”等关键词，在ScienceDirect、Scopus、Web of Science和Google Scholar等数据库中进行了系统搜索。

光催化过程

光催化是指半导体材料在吸收能量等于或大于其带隙（Eg）的光子后发生激发。当光线照射到光催化剂上时，价带（VB）中的电子（e?）被激发到导带（CB），在价带中留下空穴（h?）。这些载流子在半导体表面参与氧化还原反应，使吸附的反应物发生氧化或还原[18]、[19]。

混合光催化-MFC

对可持续能源和环境修复技术的需求推动了混合系统（包括含有MFC的光催化系统）的研究热情[35]。混合光催化-MFC通过两种技术的协同作用有效解决了上述问题：光催化过程能够改善MFC的工作条件或产生易于被微生物利用的中间产物。

表面工程

如前所述，电极和催化剂材料在电子（e?）的传输和生成中起着关键作用。选择合适的电极和催化剂材料对电子转移效率、降解动力学及系统寿命至关重要。例如，阳极材料、表面积、孔结构及表面修饰方式会直接影响微生物的附着、生物膜形成及后续的电化学活性[75]。

混合光催化-MFC的应用

混合光催化-MFC在废水处理和污染物去除方面具有显著应用价值，可有效降解多种废水中的顽固性和难生物降解污染物（如染料、药物、酚类物质和工业废水）。由于光催化与微生物之间的协同作用，该系统在去除顽固性污染物的同时还能回收电能。如第3节所述，这种系统展现了出色的处理效果。

当前挑战与瓶颈

混合光催化-MFC在实际应用中面临技术、科学和操作层面的多项挑战，这些问题源于对机制理解的不完善、材料不稳定性和规模限制。需要材料科学、微生物学和化学工程之间的跨学科合作，以稳定电子传输机制和微生物电活性[75]。

结论

混合光催化-MFC系统将太阳能驱动的催化作用与微生物电化学相结合，旨在将废水转化为清洁水和可再生能源。过去十年的研究揭示了该技术的诸多方面，表明光催化氧化在提升有机污染物降解效率的同时，显著增加了可用于发电的电子（e?）供应。尽管如此...

CRediT作者贡献声明

刘书慧（Shu-Hui Liu）：撰写与编辑、数据分析。 贾恩·哈斯林达·沙里富丁（Jun Haslinda Shariffuddin）：数据验证、概念构思。 巴拉·H·阿南达帕德马纳班（Baala H. Anandapadmanaban）：数据可视化、方法论设计。 林志文（Chi-Wen Lin）：撰写与编辑、监督工作、研究实施、资金争取、概念构思。 拉比亚·塔萨杜克·侯赛因（Rabia Tasaduq Hussain）：初稿撰写、研究实施。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢台湾地区“国家科学技术委员会”（National Science and Technology Council of the Republic of China, Taiwan）在合同编号112–2221-E-224–005-MY3项下的资金支持。