《Fuel》：Enhancing durability and stability of microbial fuel cells through nanomaterial engineering and artificial intelligence optimization
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本文系统综述了微生物燃料电池（MFCs）提升长期耐用性和稳定性的关键策略，包括电极材料创新（如碳纳米结构、导电聚合物和MOF复合材料）、生物炭电极的可持续应用，以及人工智能驱动的性能优化与故障预测。同时探讨模块化反应器设计和多学科整合对规模化应用的重要性，为MFCs向可靠、长寿命能源系统转化提供路径。
Lakeswer Dadsena|Tungabidya Maharana|Satya Eswari Jujjavarapu
印度赖布尔国家技术学院化学系，赖布尔 CG-492010
摘要
微生物燃料电池（MFCs）的实际应用越来越受到限制，这并非源于它们发电能力的不足，而是由于在现实条件下长期耐用性、材料降解和运行稳定性方面的挑战。本文综述了近期旨在延长MFCs使用寿命的各种策略，特别关注电极耐用性、抗降解性和系统级稳定性。电极工程的进步，包括碳纳米结构、导电聚合物和基于金属有机框架（MOF）的复合材料，显著提高了界面导电性、氧化还原稳定性和微生物附着能力，从而减少了长时间运行过程中的性能下降。此外，生物质衍生和废弃物基的生物炭电极作为一种成本效益高且耐腐蚀的替代品，支持了可持续的大规模应用。除了材料改进外，人工智能和机器学习的集成还实现了性能预测建模、早期故障检测和自适应运行控制，标志着系统管理向耐用性方向的转变。同时，模块化和连续流反应器设计提高了从实验室到试点系统的机械强度和运行耐久性。通过综合材料科学、反应器工程和数字诊断方面的发展，本文提供了以耐用性为中心的MFC技术视角，并概述了将实验室原型转化为可靠、长寿命生物电化学能源系统的路径。
引言
全球迫切向低碳能源系统转型，需要既能利用可再生资源，又能在实际条件下保持长期运行耐用性和电化学稳定性的技术。尽管能源效率和清洁能源生产已经取得了显著进展，但要实现可持续能源生产，还需要开发出在延长使用寿命期间既环保又在结构上具有韧性的系统。在这一背景下，包括燃料电池、电解器和MFCs在内的电化学能源设备在连接清洁能源转换和碳减排方面发挥着关键作用。其中，MFCs是一种独特的类别，它通过微生物的代谢活动直接将有机废物转化为电能，从而将能源回收与废水处理和资源循环利用结合起来[1]，[2]。
尽管在实验室规模上取得了许多进展，但MFCs的大规模和长期应用仍受到耐用性和运行稳定性的限制。由于电极腐蚀、生物膜脱落、污染以及内部电阻逐渐增加，其性能在现实废水组成、连续流操作和波动的环境条件下持续下降。这些与耐用性相关的挑战，而不仅仅是初始功率密度，是阻碍MFC技术在现实世界能源和废水处理系统中可靠应用的主要瓶颈[3]。
因此，最近的研究努力集中在通过电极材料创新和表面工程来缓解降解问题。基于碳的电极因其化学稳定性和高表面积而被广泛使用，通过使用石墨烯、碳纳米管、金属氧化物和导电聚合物进行纳米材料修饰，进一步提高了微生物附着能力、界面导电性和结构强度。更先进的混合架构，包括金属有机框架（MOFs）和生物质衍生生物炭电极，展示了更好的氧化还原稳定性、耐腐蚀性和成本效益，代表了朝着可扩展和环境可持续的MFC操作迈出的重要步骤[4]，[5]，[6]，[7]，[8]。
然而，仅靠材料层面的改进并未完全解决长期稳定性问题。动态性能下降、不均匀的生物膜形成和与规模相关的电阻损失仍然影响MFC的持续运行。应对这些限制越来越需要系统级的耐用性策略，如优化的反应器配置、模块化和连续流设计以及能够适应变化运行条件的自适应控制框架。在这方面，人工智能（AI）和机器学习（ML）方法正成为用于耐用性诊断、预测性维护和实时性能优化的强大工具。AI驱动的模型不仅可以作为性能预测器，还可以实现早期故障检测、降解趋势预测和动态运行调整，从而支持扩展后的MFC系统的延长功能寿命[9]，[10]，[11]，[12]。
尽管已有许多综述讨论了MFCs中的电极材料和性能增强策略，但系统地、综合地关注长期耐用性、降解机制和在相关规模条件下的使用寿命仍较为有限。特别是，现有文献很少将材料降解现象与系统级稳定性挑战和数据驱动的寿命优化方法联系起来。
因此，本文提供了以耐用性为中心的MFCs评估，批判性地研究了电极降解机制、纳米结构增强策略以及利用AI延长长期运行稳定性的方法。通过整合材料科学、生物电化学、反应器工程和数字分析的见解，本文符合本特刊的总体目标，即推进电化学能源设备的耐用性、可靠性和长期性能，以实现可持续和有韧性的能源未来。
微生物燃料电池的工作原理
MFCs是一种生物电化学系统，利用微生物的代谢潜力将储存在有机物中的化学能直接转化为电能。使用微生物作为生物催化剂发电的概念为传统能源系统提供了一种可持续的替代方案，尤其是在废水处理和可再生生物能源回收方面[13]，[14]。
MFCs的基本工作原理结合了微生物代谢和电子传输过程
微生物燃料电池在现实应用中的规模化需求
如果MFCs技术要带来实际的环境和能源效益，例如在现实废水体积下去除有机污染物并回收可用能源同时降低工厂的净能源需求，那么将其从实验室规模的反应器扩大到试点和现场安装是必不可少的。然而，这种转变揭示了一系列实验室实验无法揭示的与规模相关的物理化学、工程和生物学限制。
阳极改性的重要性
在MFC中，阳极是将微生物代谢转化为电流的关键接口。由于阳极是电活性细菌（外电子生成菌）氧化底物并传递电子的地方，其特性在很大程度上决定了电荷捕获、传输和输送到外部电路的有效性。有几个原因解释了为什么阳极的特性常常成为MFC性能的限制因素：
基于金属的电极
基于金属的电极在MFC研究中继续受到关注，因为它们具有优异的导电性、机械强度和可扩展性。这些优势原则上可以使电流产量超过基于碳的电极所能达到的水平。然而，金属电极仍然面临腐蚀、毒性和微生物兼容性有限的挑战。最近的研究（2020-2025年）越来越多地关注混合纳米结构电极提高电极导电性和性能的先进材料
电极-生物膜界面处的导电性对MFCs中的电子传输效率、内部电阻和长期性能稳定性至关重要。传统的电极材料，如未经处理的碳布、石墨棒和基于金属的基底，存在固有的局限性，这些局限性限制了电化学性能和可扩展性。在长时间运行过程中，随着生物膜的增厚，有效导电性会下降，而光滑且化学惰性的表面电极优化：表面积、导电性和生物相容性
电极是MFC可扩展性的核心，决定了电子传输效率、生物膜形成和整体反应器稳定性。随着系统体积的增加，电极的表面积与体积（S/V）比和内在导电性成为关键限制因素，因为内部电阻和扩散限制逐渐增加。因此，扩大MFCs规模需要创新电极架构和材料组成，以保持电化学性能的同时确保微生物燃料电池规模化的主要挑战
将MFCs从实验室原型扩大到试点和现场规模系统仍然是实现其工业潜力的最大瓶颈之一。尽管实验室规模的MFCs已经实现了超过1-2 W/m2的有希望的功率密度，但在超过10升反应器体积后，其性能通常会下降两个到三个数量级。这种下降源于物理、电化学和生物学因素的复杂相互作用。以下小节将介绍人工智能和机器学习在MFC规模化和耐用性增强中的作用
将MFCs从台式原型扩大到试点和工业规模仍然是生物电化学工程中最主要的挑战之一。这一困难源于生物、电化学和操作参数之间的复杂耦合，这些参数控制着能量产生、底物转化和长期稳定性。传统的经验模型往往无法捕捉这些非线性和动态相互作用。为了应对这些限制，人工智能讨论
对电极材料、反应器配置和数字工具的集体分析表明，MFC的性能取决于生物过程、电化学界面和系统级约束之间的相互作用。基于碳纳米材料、导电聚合物和MOF混合体的纳米结构电极一致提高了电子传输和生物膜稳定性。然而，它们的可扩展性受到高材料成本、复杂合成路线等限制未来展望
MFCs的未来发展将取决于从概念验证转向耐用、可预测且经济可行的生物电化学系统。实现这一转变需要明确针对长期稳定性、与规模相关的损失和实际运行限制的研究方向。首先，以耐用性为导向的材料设计必须成为主要的研究目标，而不仅仅是次要结果。未来的研究应该超越
结论
MFCs的长期耐用性和运行稳定性仍然是其作为可靠电化学能源设备大规模应用的主要障碍。本文表明，提高MFC性能并非由单一技术突破决定，而是需要管理材料、反应器工程和系统智能之间的关键权衡。在材料层面，基于碳纳米材料、导电聚合物和MOF混合体的纳米结构电极提供了
CRediT作者贡献声明
Lakeswer Dadsena：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、数据管理、概念化。Tungabidya Maharana：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、软件、概念化。Satya Eswari Jujjavarapu：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、软件、概念化。
资助作者还感谢印度社会正义与赋权部在NFOBC-JRF计划下提供的财政支持，以完成博士研究工作。
利益冲突声明作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢作者感谢印度赖布尔国家技术学院提供必要的实验设施、协助准备手稿并允许发表。
