Ti3C2Tx改性铜/不锈钢阳极用于提高含刚果红废水微生物燃料电池的性能

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Ti 3C 2T x-Modified Copper/Stainless Steel Anodes for Enhancing Performance of Microbial Fuel Cell with Congo Red Wastewater

　　

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  探索利用 Ti₃C₂T_x 修饰微生物燃料电池（MFC）中的金属阳极，以处理含刚果红介质。
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  Ti₃C₂T_x 修饰提高了金属阳极的亲水性和生物相容性。
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  Ti₃C₂T_x 修饰阳极的电容、稳定性和阻抗得到了优化。
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  采用 Ti₃C₂T_x 修饰铜/不锈钢阳极的 MFC 实现了更高的电压。
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  不锈钢 -Ti₃C₂T_x 在性能和成本方面优于碳毡。

引言

微生物燃料电池（MFC）是一种新型环境技术，能够利用微生物代谢实现污染物同步降解和电能回收 [1]。凭借能耗低、环境相容性好和资源利用率高核心优势，MFC 已成为工业废水处理和环境修复领域的研究热点 [2], [3]。污染物通过阳极微生物氧化还原反应转化为无害产物，其中胞外电子传递（EET）产生电力，为污染消除和资源回收相结合提供了一条有前景的途径 [4], [5]。得益于独特的微生物生物电化学反，MFC 能够高效修复染料等难降解有毒有机物，其实际降解能力超越传统生物处理 [6], [7]。

作为典型的偶氮染料，刚果红（CR）广泛应用于纺织和印染行业，而其废水具有毒性高、生物降解性差和色度高特征 [8]。传统处理技术容易产生二次污染且成本高昂 [9]。虽然 MFC 构成了处理含 CR 废水的环保且前景光明的策略 [10]，但仍存在主要瓶颈：电极成本高、催化活性不足以及降解机制未完全解决 [7], [11]。

电极修饰是通过加速电子传递和提高整体系统性能来增强 MFC 实际应用效率的关键策略 [12]。碳基材料表现出良好的生物相容性、耐腐蚀性和电产生性能，但较低的催化活性限制了难降解污染物的去除；高昂的制造成本和较差的机械强度阻碍了其大规模部署 [13]。尽管废弃物生物质衍生碳电极因其来源丰富且成本低廉而受到 considerable 关注 [14]，但在预处理和长期可持续性方面仍存在瓶颈 [15]。相比之下，铜（Cu）和不锈钢（SS）等金属材料具有成本低、电阻低、机械强度高、易加工和适度的催化活性特征 [16]，然而较差的生物相容性和腐蚀风险损害了其电产生输出和操作稳定性 [17]。利用电活性材料修饰低成本金属电极是提高其性能的关键途径 [18]。

在各种催化剂中，Ti₃C₂T_x 因其突出优点而引起了广泛关注，包括比表面积大、导电率高、界面活性优越、离子扩散和电子传输途径便捷 [19], [20]。2011 年，Gogotsi 小组通过刻蚀方法制备了二维层状过渡金属碳化物（主要是 Ti₃C₂T_x）[21]。凭借与石墨烯相当的电化学性能，Ti₃C₂T_x 被广泛用于离子电池和超级电容器的电极修饰 [22], [23]。然而，Ti₃C₂T_x 修饰电极在生物电化学系统中的应用仍处于起步阶段。Liu 等人 [24] 首次利用 Ti₃C₂T_x 修饰碳布阳极用于 MFC，显著提升了系统的电产生性能（从 2.05 W/m² 提升至 3.74 W/m²）。随后，Jiang 等人 [25] 制备了 MnO₂-Ti₃C₂T_x 复合催化剂来修饰碳布阳极，优化了 MFC 电产生性能（746.3 mW/m²）和 CR 脱色效率（48 h 内 87.6%）。尽管如此，Ti₃C₂T_x 主要被部署用于碳材料修饰 [26]，其在低成本金属电极上的应用仍 largely 未被探索。此外，关于基于金属阳极处理 CR 废水的 MFC 研究仍然有限 [27]。因此，探索 Ti₃C₂T_x 修饰低成本金属电极及其在生物电化学系统中的机制，作为该领域的渐进式创新，具有重要的理论和实际意义。

本研究利用 Ti₃C₂T_x 修饰两种低成本金属材料（Cu 和 SS）作为 MFC 阳极，旨在同时增强 MFC 性能并降低成本。通过接触角（WCA）和扫描电子显微镜（SEM）表征了 Ti₃C₂T_x 修饰对阳极亲水性和生物相容性的影响。采用循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）和电化学阻抗谱（EIS）研究了 Ti₃C₂T_x 对阳极电化学性能的优化。基于输出电压、脱色率和化学需氧量（COD）去除效率等关键参数，评估了 Ti₃C₂T_x 修饰金属阳极对 MFC 运行性能的增强作用。本工作表明，Ti₃C₂T_x 修饰的 Cu/SS 阳极在降低制造成本的同时大幅提升了 MFC 电力输出，为金属基 MFC 阳极设计提供了增量改进，具有良好的应用潜力。

章节摘要

材料

铜（>99%，片状，0.2 mm）由台州必灵五金制品有限公司提供；不锈钢（304#，片状，0.2 mm）由上海鸿威不锈钢制品有限公司提供；碳毡（CF）购自 Cenergy 科技有限公司。CH₃COONa，刚果红（C₃₂H₂₂N₆Na₂O₆S₂），NaH₂PO₄·2H₂O，Na₂HPO₄，KH₂PO₄，K₃[Fe(CN)₆]，K₂HPO₄，NH₄Cl，KCl，MgSO₄·7H₂O，ZnSO₄·7H₂O，FeSO₄·7H₂O，NiCl₂·6H₂O，MnSO₄·H₂O，CoCl₂·6H₂O，CuSO₄·5H₂O，CaCl₂·2H₂O，NaCl，H₃BO₃，Na₂MoO₄，C₁₀H₁₄N₂Na₂O₈（EDTA），NH₄HF₂，

Ti₃C₂T_x 的表征

如图 1a 和 1b 所示，块体结构的 Ti₃AlC₂ 经过刻蚀后转变为典型的层状堆叠 Ti₃C₂T_x，表明 Al 成功移除 [21]。透射电子显微镜观察（图 1c,d）显示了层状 Ti₃C₂T_x 纳米片，其边缘略有卷曲，部分碎片化和堆叠，层间距约为 1.08 nm。

在 XRD 图谱中（图 1e），Ti₃AlC₂ 特征峰消失（2θ ≈ 19.1° (004), 39° (104)），同时 (002, 2θ ≈

结论

本研究调查了实验室合成废水中 Ti₃C₂T_x 修饰 Cu 和 SS 阳极对 MFC 性能的提升。Ti₃C₂T_x 修饰有效增强了金属阳极的亲水性和电化学活性，从而提高了 MFC 发电能力。在合成阳极培养基（SAM）中，修饰后的金属阳极性能低于碳毡阳极。相比之下，在含合成 CR 废水中，Ti₃C₂T_x 修饰的 SS 阳极表现出优异的 CR 耐受性，产生了更高的

CRediT 作者贡献声明

张志浩：写作 – 初稿，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。王子杰：可视化，验证。徐佳莹：可视化，调查，形式分析。杨晓丽：写作 – 审阅与编辑，指导，方法学，获取资金。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（51978148）和山西省基础研究计划（202503021212306）的支持。

张志浩 | 徐佳莹 | 王子杰 | 杨晓丽