微生物燃料电池体系空气阴极研究进展

钟铭，李克勋，魏高升

微生物燃料电池体系空气阴极研究进展

钟铭1，李克勋1，魏高升2

（1．南开大学环境科学与工程学院，天津市 南开区 300350；2．电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，北京市 昌平区 102206）

微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)是一种利用产电微生物，通过生物电化学反应将生物质能转化为电能，同时又可以降解污水中的有机物质的新型发电装置。虽然MFC在解决能源和环境问题时具有很好的双功效，但成本昂贵和输出功率低是制约其大规模发展的障碍，而MFC体系中的阴极电极是这些问题的关键影响因素之一。总结了目前空气阴极扩散层、催化层的相关研究进展，分析限制其发展的主要问题，指明了今后的发展方向，可为以后开发更优的MFC提供参考。

微生物燃料电池；空气阴极；扩散层；催化层

0 引言

近年来我国能源结构也已开始转型，可再生能源迅速增长，能源供应由集中化开始向分布式转变[1-2]。微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)作为一种新型的环境治理手段和能源技术，以实际废水为底物，既可以实现污水净化，同时又能实现能源回收，这对缓解能源短缺和治理环境具有重大战略性意义，引起了研究者的广泛关注[4]。目前，微生物燃料电池在实验室阶段取得了巨大进展，研究人员从产电菌、阳极材料和阴极材料等方向入手，进行了大量的研究，越来越多种类的MFC被制造出来。但是，MFC的发展并没有预想的顺利，已经进入瓶颈期。成本昂贵和输出功率低一直困扰着广大研究人员，而MFC的阴极反应被认为是一个重要限制因素[5]。空气阴极类型的MFC具有功率密度高、内阻低的特性[6-7]，因此研究员们把目光投向了空气阴极。开发低成本、高效率的空气阴极微生物燃料电池成为MFC工业化至关重要的先决条件。本文通过介绍MFC的基本工作原理、空气阴极的研究进展以及一些限制性因素，为以后开发更优的MFC提供参考。

1 微生物燃料电池原理

1.1 基本工作原理

微生物燃料电池是利用微生物将碳水化合物中的化学能转化为电能的装置。双室MFC主要由阳极区、阴极区和中间由质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)组成，如图1所示。单室MFC有简单的阳极室，没有确定的阴极室，并且不含有质子交换膜。多孔阴极利用氧气从阴极室的一侧形成，使质子扩散。它们比双室燃料电池结构简单。原理都是：在阳极区，微生物生长代谢，通过呼吸作用将有机底物氧化并释放电子和质子。释放的电子在微生物作用下通过电子传递介质转移到阳极表面，并通过连接阳极与阴极的外导线输送至阴极，释放的质子到达阴极区，在阴极区，氧气得到电子反应生成水，这样就形成电子回路，最终输出电能。随着阳极区有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行，在外电路持续产生电流。MFC 就是利用阳极的微生物进行生物催化氧化的过程，酶、辅酶、电子传递体等共同参与[8]。以葡萄糖作为底物的燃料电池为例，其阴阳极化学反应式如下：

阴极：6O2+24H++

MFC通过阳极反应，细菌降解有机物所产生的电子传输到阳极，再通过外电路负载到达阴极，由此产生外电流；细菌降解有机物所产生的质子到达阴极，在阴极上，氧气得到电子，并与H+反应生成水，从而完成电池内电荷的传递。目前MFC产电效率仍然很低，离大规模生产仍尚有较大的差距。如何提高MFC的产电性能，从而达到大规模生产是该领域的研究热点[9]。此外，影响MFC功率输出的主要限制因素有：反应器配置，阴极电子受体的反应效率，内阻(欧姆电阻、电荷转移电阻、扩散电阻)，接种物的选择，电子从微生物到阳极的转移效率，以及电极的材料和成本等，其中电极材料的影响非常重要[10-11]。因此，通过改进电极材料电化学性能来提高微生物燃料电池效率也是该领域的另一热点。

1.2 微生物燃料电池阳极

在MFC中，阳极充当微生物黏附的载体，不仅影响微生物的黏附，还影响电子从微生物到阳极的传输，从而影响MFC的发电性能。电极的反应动力学直接影响电极的反应速率，阳极是微生物生长和电子收集的场所，因此，改善整个MFC的性能尤为重要的一种手段就是优化阳极。比表面积大，内阻小，导电性强，电位稳定，生物相容性好，化学稳定性好等是高性能阳极的重要指标[12]。因此，采用优秀的阳极材料可以有效提高MFC的生产性能。

传统的阳极材料有碳毡、碳布、碳刷、石墨棒、石墨板、柔性石墨等，这些材料成本低廉、容易获取且生物相容性好，因此在MFC中运用广泛。以碳纸作阳极、载铂碳纸作阴极构建的葡萄糖燃料空气阴极双室MFC的最大输出电压为430mV，最大输出功率密度为205mW/m2。而以碳布作阳极、以生活污水为底物构建的单室MFC的最大输出功率密度为483mW/m2[13-14]。

随着科学技术的不断发展，纳米材料、人工三维材料等逐渐为人们所熟知，并广泛应用到MFC上制作成更高效率的阳极。Lü等[[15]]用三维碳纳米管作阳极构建H型双室MFC，最大输出功率密度为1120mW/m2；Yong等[16]将聚苯胺沉积到泡沫石墨烯的表面制成阳极，最大输出功率密度为768mW/m2；Yuan等[[17]以丝瓜络为原料制备三维生物炭阳极用于MFC，获得最大输出功率密度为1090mW/m2；Zhao等[18]将Pt修饰的石墨烯气溶胶三维纳米颗粒材料构建MFC，其最大输出功率密度达1460mW/m2；Call等[19]以羧甲基纤维素钠(CMC)为支架将石墨烯气凝胶与3,4-亚乙二氧基噻吩–聚苯乙烯磺酸共同涂覆在碳泡沫材料上，制成了A-CMC-Gr-PD材料，并用该材料作为MFC阳极。结果表明，用改性材料作为电极的MFC，其最大功率密度达到了(3.51±0.5)W/m2，远大于对照电极(265±12.1)mW/m2。

1.3 微生物燃料电池阴极

阴极主要有3种，分别是电解液阴极、生物阴极和空气阴极。其中电解液阴极就是将电解液作为电子最终受体，例如广泛使用的铁氰化钾，它具有相对较高的氧化还原电位，作MFC阴极时可以获得较高的输出电压，但缺点是其被氧气氧化后将失去作用，不可持续使用[20]。生物阴极以微生物作阴极，电子的最终受体是微生物，由于无需用到Pt等贵金属作催化剂，所以较经济，而且持久性好，可长期使用，其缺点是必须用膜把阴阳两极的微生物隔开，而且还有微生物的稳定性、产电效率等诸多问题需要解决。空气阴极是把氧气作为电子最终受体，氧气作为空气的主要组成成分，它来源广泛、不耗资金、不产生二次污染，因此空气阴极微生物燃料电池受到了众多研究人员的重视。

2 空气阴极

2.1 空气扩散层

空气扩散层是直接面向大气的聚合物涂层，主要作用有2个，一是把氧气扩散到催化层，二是防止水泄漏。它通常用疏水性聚合物制备，所用材料有PTFE、FEP[21]、PDMS[22]、PVDF[22]，目前最常用的材料是PTFE。相关研究显示，PTFE空气扩散层的数量会影响氧气转移和失水率[23]。文献[24]研究表明，空气扩散层中的PTFE含量会影响MFC的整体性能，而实现MFC最佳性能的PTFE数量是4层；在该研究中，没有采用ORR催化剂层，因此没有阻碍氧气转移到阴极生物膜的屏障，好氧微生物会消耗氧气并促进阴极实现其功能[24]。聚二甲基硅氧烷是另一种用于制造空气阴极的聚合物[22]。将聚二甲基硅氧烷与炭黑混合作为扩散层，2层的功率密度为1610mW/m2，库仑效率大于80%，这是由于添加炭黑导致由催化剂层微孔层贡献的传输得到改善。在文献[25]研究中，观察到3个聚二甲基硅氧烷/碳层产生的电功率密度为1355mW/m2，相当于4层PTFE/炭黑的1303mW/m2，这是因为电荷转移电阻较小。近年来，研究人员尝试使用PVDF制备空气扩散层[26]。为了给氧化还原反应(oxygen- reduction reaction，ORR)构建最佳的三相界面，采用4层结构，在最大功率密度、库仑效率和漏水方面，它比PTFE材料表现更好。然而，向PVDF中添加炭黑降低了MFC的性能，输出的最大功率密度仅为0.123mW/m2。这可能是由于氧气过度扩散到阳极室，损坏了阳极生物膜的功能。

除聚合物涂层外，研究者们还尝试将多孔材料(如布料)作为空气扩散层。Goretex布比PTFE或聚二甲基硅氧烷材料产生的功率密度更低。文献[27]的实验中，水被困在Goretex布和碳网之间，阻止了氧气转移到ORR位点。此外，这还导致区域pH值升高，从而抑制了ORR的动力学过程。然而，将Goretex布热压到碳布基材上却可以改善吸气阴极的性能。它产生的最大功率密度为1330mW/m2，相当于1390mW/m2的PTFE材料。结果表明，空气扩散层与阴极表面紧密接触可以获得更好的性能。实验中纺黏烯烃最初产生的功率密度为750mW/m2，但在第39天降至280mW/m2，其不稳定性是由Pt催化剂的损失和阴极生物膜的形成引起的。

2.2 空气阴极催化层

2.2.1 催化层材料种类及性能

催化层常用 Pt作催化剂增加阴极性能，通常采用电镀法、电子枪以及溅射法把Pt作为负载，其中电镀法的负载效果较好。综合考虑价格和性能，碳纸最佳的载铂量一般是0.1mg/cm2，但相对来说，以Pt作为催化剂其价格仍显昂贵。因此，国内外研究者针对既能提高产电效率，又能降低成本的阴极催化剂进行了大量研究。目前报道的空气阴极催化剂材料有CoTMPP 、硫酸铁、铁、硝酸铁、二氧化锰、银、Co-Fe螯合剂、含铁和氮官能团化的石墨烯(Fe–N–G) 、活性炭等。催化剂的黏结剂有Nafion、PTEF、DEA[28]和 PDMS[29]等，黏结剂的选择对功率密度也会产生影响[30-31]，前2种其相关性能及成本如表1[32]所示。空气阴极MFC通常采用热压法将膜和阴极材料压在一起构成膜电极。为了方便膜的再生和清洗，也可以制作成可拆卸型膜电极，即将膜和阴极材料用夹子或其他方法固定，随时拆卸。为节省成本，可制作成单室即去除质子交换膜。

表1 催化层使用不同黏结剂的性能及成本

2.2.2 ORR催化层材料

目前空气阴极催化材料主要有贵金属材料和非贵金属碳基材料以及其改性材料，它们的相关参数如表2所示。

表2 不同催化层材料的性能及成本

1）贵金属。贵金属Pt一直以来都被公认是阴极催化剂的首选材料，可以有效地降低氧气反应的过电位。由于其价格昂贵、资源有限，研究多集中于降低催化剂的载量方面。Cheng等[30]使用单室MFC对Pt催化剂的负载量做了研究。将载Pt量由2mg/cm2减少到0.1mg/cm2，最大功率密度仅平均减少了19%，约20~40mW/m2，所以载Pt量控制在0.1mg/cm2左右最为经济。Pt催化剂不宜作大规模应用的空气阴极MFC的催化剂，研究人员开始寻找可替代贵金属Pt的催化剂。

2）非贵金属催化剂材料改性。为了提高碳基催化剂的ORR催化效率，以及进一步提高空气阴极MFC的性能，许多研究集中在开发改进方法以优化碳基ORR催化剂的物理和化学特性。文献[33]研究结果表明，活性炭的KOH处理使功率密度从804mW/m2增加到957mW/m2，提高了16%。采用磷掺杂碳催化剂，产生的最大功率密度为1312mW/m2，是碳的3倍[27]，也大于Pt/C催化剂产生的最大功率密度1220mW/m2。除了单掺杂之外，也有学者还做了二元元素掺杂的碳材料。共掺杂氮和磷，碳催化剂输出的最大功率密度为2293mW/m2，而氮和磷单掺杂最大功率密度分别为801mW/m2和872mW/m2[34]。另一项研究中，碳纳米颗粒与氮和硼的二元掺杂MFC产生的最大功率密度为642mW/m2，大于氮掺杂催化剂产生的最大功率密度550mW/m2，低于Pt/C催化剂产生的最大功率密度692mW/m2[35]。动力学分析表明，氮–硼共掺杂碳催化剂的电子转移数为3.7个，与Pt/C相似。值得注意的是，用旋转环盘电极技术进行电子转移数的测量，宜使用薄催化剂层，因为厚催化剂层会将生成的H2O2捕获在催化剂层内，从而导致错误的电子转移数。

此外，据研究，磷和硼的额外掺杂增强了不对称原子自旋密度，并增强了碳材料的活性，从而增强了ORR活性[36]。由于对氮掺杂碳的特性的不同影响，在氮掺杂的碳催化剂中添加磷比硼掺杂更好[36]。结果表明，硼掺杂增加了吡啶–N位的部分，增加了氮掺杂碳的sp2–碳结构的程度，而磷掺杂促进了碳原子的电荷离域，导致分裂和起皱。因此得出结论：碳原子的电荷离域或开放边缘位数是相对于掺杂氮类型或sp2–碳的程度的ORR活性的更重要因素。

近期有学者将氮和硫共同掺杂到碳纳米纤维中进行了试验[37]。N和S的共掺杂在碳晶格中贡献了大量的电负性原子，导致MFC的起始电位为0.98V，最大功率密度为1800mW/m2。此外，将氮、磷和硼三元掺杂到碳中实现了最佳的ORR活性，这是由各种掺杂剂的组合贡献所致。

除了非金属元素掺杂之外，还有学者在空气阴极MFC中制备和试验了碳催化剂的金属螯合。以钴螯合聚苯胺为前驱体，制备了N掺杂的Co/Co9S8/部分石墨化碳催化剂[38]。观察到催化剂在800℃热解时表现更好，这是由于较低的电荷转移电阻和电子ORR过程由吡啶N、石墨N和Co-N物质的共存贡献。此外，温青等[39]还选择Fe作为掺杂剂以提高碳ORR催化剂的性能。结果表明，在发电和使用寿命方面，Fe-N-C催化剂的性能优于Pt/C催化剂。向Fe-N-C催化剂中加入Ag，由于Ag的抗菌功能，催化剂的稳定性得到进一步提高，产生的最大功率密度远高于 1791mW/ m2[40]。ORR催化剂的稳定性和库仑效率是评价空气阴极MFC大规模运行中催化剂应用可行性的重要因素。以氮掺杂碳纳米管为催化剂，库仑效率为(15.5±0.3)%。对于Pt/C催化的MFCs，库仑效率在(13.9±0.3)%和(39.2±1.1)%之间变化[41]。另外，硝基掺杂碳纳米管催化的MFC的库仑效率下降了(5.7±0.5)%，而在25次循环操作中，Pt-MFCs下降了(11.1±0.6)%。对于氮掺杂碳粉[42]和氮掺杂石墨烯[22]，碳基ORR催化剂的长期运行更为稳定。结果表明，碳基ORR催化剂对于空气阴极MFC的大规模和长期运行更为可行。

2.3 空气阴极微生物污染与防控

在空气阴极的研究中，还有一个值得注意的问题是空气阴极的微生物污染与防控。

空气阴极内的物质运输主要有OH-和氧扩散，它们对空气阴极MFC的性能都有重要影响。而培养电池过程中，随时间的推移，培养液中的生物膜会在阴极附着，进而污染催化剂层，限制传质和降低阴极电位，从而减少产电量。而关于物质传输如何与MFC性能相关，以及它们如何不可避免地受到在阴极表面形成的生物膜的影响，对此知之甚少。Yuan等[43]利用微电极在MFC中研究了阴极生物膜的OH-和氧谱。在无生物膜阴极附近，催化剂层界面pH值从7.0±0.1增加到9.4±0.3，说明OH-在阴极区域有明显的积累。此外，在局部生物膜存在的情况下，界面pH值增加到10.0±0.3，MFC的最大功率密度从(1.8±0.1) W/m2下降到(1.5±0.08)W/m2。这说明OH-转运受到严重阻碍，而由生物膜附着导致的OH-的大量积累，间接影响了MFC的产电性能。刘伟风[44]也提出，催化层表面的生物膜不仅阻碍H+、OH-等物质的传输，而且其产生的蛋白质、多糖、腐殖酸等SMP扩散进入催化层会改变氧气还原的Ｈ相界面，増大阴极内阻，从而降低阴极的氧气还原性能，间接影响了MFC的产电性能。

对于空气阴极生长生物膜后被污染的防控，董恒[45]采用2种方法：一是轻轻刮除催化层表面的生物膜后用纯水冲洗干净；二是刮除生物膜后将电极放入超声清洗机中清洗30min，然后用纯水洗干净。经2种方法处理后的空气阴极性能较原来回升了76%(功率密度)。刘伟风[44]采用将恩诺沙星嵌入催化层并优化其嵌入方式和嵌入量，使MFC运行3个月后，阴极表面生物量降低60.2%，大大提高了阴极电化学性能与稳定。

3 结论

由于全球能源短缺和污染问题越来越严重，能有效解决能源和环境问题的MFC技术具有很广阔的前景。而电极材料的长期稳定性和成本对它们的应用非常重要，并且依旧是MFC研究的重要突破口。同时，还有诸多因素，例如，微生物生长、pH值、温度等都影响着MFC的性能，因此，全方位研究电极性能不同的原因非常不易。MFC 的阴极还存在着成本过高、催化活性低等问题。不仅如此，空气阴极MFC仍然存在一些问题。首先，由阴极进入MFC腔体中的部分氧气会与有机物直接反应，致使库仑效率大幅降低，甚至导致阳极性能的下降。其次，空气阴极需要经过防水、负载催化剂等处理，使得空气阴极的结构相对复杂，制作难度大。因此通过与其他交叉学科结合、改性阴极材料、使用复合催化剂等方法可以扩展MFC的应用。MFC研究在未来仍然任重而道远。

[1] Musa S D，Tang Z H，Ibrahim A O，et al．China's energy status：a critical look at fossils and renewable options[J]．Renew Sust Energ Review，2018，81：2281-2290．

[2] 曾洪瑜，史翊翔，蔡宁生．燃料电池分布式供能技术发展现状与展望[J]．发电技术，2018，39 (2)：165-170．

[3] 周圣哲，崔强，张懋源．燃料电池汽车能量管理系统运用复合模糊逻辑控制的研究[J]．发电技术，2018，39(6)：554-560．

[4] Cao X X，Huang X，Liang P，et al．A completely anoxic microbial fuel cell using a photo-biocathode for cathodic carbon dioxide reduction[J]．Energy & Environmental Science，2009，2(5)：498-501．

[5] Rismani-yazdi H，Carver S M，Christy A D，et al．Cathodic limitations in microbial fuel cells：an overview[J]．Journal of Power Sources，2008，180(2)：683-694．

[6] Liu H，Logan B E．Electricity generation using an air-cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and absence of a proton exchange membrane[J]．Environmental Science & Technology，2004，38(14)：4040-4046．

[7] Shaoan，Cheng，Liu H，Logan B E．Increased power generation in a continuous flow mfc with advective flow through the porous anode and reduced electrode spacing[J]．Environmental Science & Technology，2006：2426-2432．

[8] RabaeY K，Verstraete W．Microbial fuel cells：novel biotechnology for energy generation[J]．Trends Biotechnol，2005，23(6)：291-298．

[9] 史雨茹，冷川江，常胜，等．微生物燃料电池连接方式对产电效率影响的比较[J]．北京化工大学学报，2018，45(2)：1-8．

[10] Hong S W，Chang I S，Choi Y S，et al．Experimental evaluation of influential factors for electricity harvesting from sediment using microbial fuel cell [J]．Bioresour Technol，2009，100(12)：3029-3035．

[11] Zhang T，Zhang L，Gao P，et al．Mechanism and characteristics of electricity generation in microbial fuel cells catalyzed by mixed culture[J]．Chinese Journal of Appplied Environmental Biology，2012，18(3)：465-470．

[12] Zhu X，Logan B E．Copper anode corrosion affects power generation in microbial fuel cells[J]．Journal of Chemical Technology & Biotechnology，2014，89(3)：471-474．

[13] 武晨，张嘉琪，王晓丽，等．以苯胺和葡萄糖为燃料的微生物燃料电池的产电特性研究[J]．环境科学学报，2011，31(6)：1227-1232．

[14] Wang X，Feng Y J，LEE H．Electricity production from beer brewery wastewater using single chamber microbial fuel cell[J]．Water Science and Technology，2008，57(7)：1117-1121．

[15] Lü W，Li Z，Deng Y，et al．Graphene-based materials for electrochemical energy storage devices：opportunities and challenges[J]．Energy Storage Materials，2016 (2)：107-138．

[16] Yong Y C，Dong X C，Chan-park M B，et al．Macro-

porous and monolithic anode based on polyaniline hybridized three-dimensional graphene for high- performance microbial fuel cells[J]．ACS Nano，2012，6(3)：2394-2400．

[17] Yuan Y，Zhou S，LIU Y，et al．Nanostructured macroporous bioanode based on polyaniline-modified natural loofah sponge for high-performance microbial fuel cells[J]．Environmental Science Technology，2013，47(24)：14525-14532．

[18] Zhao S，LI Y，Yin H，et al．Three-dimensional graphene/Pt nanoparticle composites as freestanding anode for enhancing performance of microbial fuel cells[J]．Science Advances，2015，1(10)：e1500372．

[19] Call T P，Carey T，Bombelli P，et al．Platinum-free，graphene based anodes and air cathodes for single chamber microbial fuel cells[J]．Journal of Materrials Chemistry A，2017，5(45)：23872-23886．

[20] Park D H，Zeikus J G．Improved fuel cell and electrode designs for producing electricity from microbial degradation[J]．Biotechnology Bioengineering，2003，81(3)：348-355．

[21] 张潇源．空气型微生物燃料电池分隔材料、阴极及构型优化[D]．北京：清华大学，2012．

[22] Zhang F，Saito T，Cheng S，et al．Microbial fuel cell cathodes with poly(dimethylsiloxane) diffusion layers constructed around stainless steel mesh current collectors[J]．Environmental Science Technology，2010，44(4)：1490-1495．

[23] Cheng S，Liu H，Logan B E．Increased performance of single-chamber microbial fuel cells using an improved cathode structure[J]．Electrochemistry Communicatio-

ns，2006，8(3)：489-494．

[24] Guerrini E，Grattieri M，Faggianelli A，et al．PTFE effect on the electrocatalysis of the oxygen reduction reaction in membraneless microbial fuel cells [J]．Bioelectrochemistry，2015，106：240-247．

[25] Luo Y，Zhang F，Wei B，et al．Power generation using carbon mesh cathodes with different diffusion layers in microbial fuel cells[J]．Journal of Power Sources，2011，196(22)：9317-9321．

[26] Qiu Z，Su M，Wei L，et al．Improvement of microbial fuel cell cathodes using cost-effective polyvinylidene fluoride[J]．Journal of Power Sources，2015，273：566-573．

[27] Tugtas A E，Cavdar P，Calli B．Continuous flow membrane-less air cathode microbial fuel cell with spunbonded olefin diffusion layer[J]．Bioresource Technology，2011，102(22)：10425-10430．

[28] Yan H，Saito T，Regan J M．Nitrogen removal in a single-chamber microbial fuel cell with nitrifying biofilm enriched at the air cathode[J]．Water Resource，2012，46(7)：2215-2224．

[29] Zhang F，Chen G，Hickner M A，et al．Novel anti-flooding poly(dimethylsiloxane) (PDMS) catalyst binder for microbial fuel cell cathodes[J]．Journal of Power Sources，2012，218：100-105．

[30] Cheng S，Liu H，Logan B E．Power densities using different cathode catalysts (Pt and CoTMPP) and polymer binders (Nafion and PTFE) in single chamber microbial fuel cells[J]．Environmental Science & Technology，2006，40(1)：364-369．

[31] Li S，Hu Y，Xu Q，et al．Iron- and nitrogen- functionalized graphene as a non-precious metal catalyst for enhanced oxygen reduction in an air-cathode microbial fuel cell[J]．Journal of Power Sources，2012，213：265-269．

[32] 王鑫．微生物燃料电池中多元生物质产电特性与关键技术研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010．

[33] Wang Z J，Mahadevan G D，Wu Y C，et al．Progress of air-breathing cathode in microbial fuel cells [J]．Journal of Power Sources，2017，356：245-255．

[34] Liu Q，Zhou Y，Chen S，et al．Cellulose-derived nitrogen and phosphorus dual-doped carbon as high performance oxygen reduction catalyst in microbial fuel cell[J]．Journal of Power Sources，2015，273：1189-1193．

[35] Zhong S，Zhou L，Wu L，et al．Nitrogen- and boron-co- doped core-shell carbon nanoparticles as efficient metal-free catalysts for oxygen reduction reactions in microbial fuel cells[J]．Journal of Power Sources，2014，272：344-350．

[36] Choi C H，Park S H，Woo S I．Binary and ternary doping of nitrogen，boron，and phosphorus into carbon for enhancing electrochemical oxygen reduction activity[J]．ACS Nano，2012，6(8)：7084-7091．

[37] Zhou L，Fu P，Wen D，et al．Self-constructed carbon nanoparticles-coated porous biocarbon from plant moss as advanced oxygen reduction catalysts[J]．Applied Catalysis B：Environmental，2016，181：635-643．

[38] 孙瑾华，刘建好，黄呈珠，等．二氧化锰为阴极催化剂的微生物燃料电池[J]．电源技术，2008，32(12)：838-840．

[39] 温青，刘智敏，陈野，等．空气阴极生物燃料电池电化学性能[J]．物理化学学报，2008，24(6)：1063-1067．

[40] Zhao Y，Watanabe K，Hashimoto K．Self-supporting oxygen reduction electrocatalysts made from a nitrogen-rich network polymer[J]．Journal American Chemical Society，2012，134(48)：19528-19531．

[41] Kim J R，Premier G C，Hawkes F R，et al．Modular tubular microbial fuel cells for energy recovery during sucrose wastewater treatment at low organic loading rate[J]．Bioresource Technology，2010，101(4)：1190-1198．

[42] Yang Q，Feng Y，Logan B E．Using cathode spacers to minimize reactor size in air cathode microbial fuel cells[J]．Bioresource Technology，2012，110：273-277．

[43] Yuan Y，Zhou S，Tang J．In situ investigation of cathode and local biofilm microenvironments reveals important roles of OH-and oxygen transport in microbial fuel cells[J]．Environmental Science Technology，2013，47(9)：4911-4917．

[44] 刘伟风．微生物燃料电池碳基电极的界面调控与电化学性能强化[D]．杭州：浙江大学，2016．

[45] 董恒．基于活性炭的低成本、高性能微生物燃料电池空气阴极研究[D]．天津：南开大学，2013．

Research Progress of Air Cathode in Microbial Fuel Cell System

ZHONG Ming1, LI Kexun1, WEI Gaosheng2

(1. College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Nankai District, Tianjin 300350, China;2. Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment(North China Electric Power University), Ministry of Education, Changping District, Beijing 10206, China)

Microbial fuel cell (MFC) is a new type of electricity-generating device that uses biomass-producing microorganisms to convert biomass energy into electrical energy through bioelectrochemical reactions, while degrading organic matter in sewage. Although MFC has good dual effects in solving energy and environmental problems, the high cost and low output power make it difficult to quantify, which is a major obstacle to its large-scale development. In the MFC system, the cathode electrode is one of the key factors influencing these problems. There are three kinds of cathode materials: electrolyte cathode, bio-cathode and air cathode. This paper mainly summarized the current research progress on air cathode diffusion layer and catalytic layer at home and abroad, the main problems that its development are currently facing and the future development direction.

microbial fuel cell(MFC);air cathode; diffusion layer; catalytic layer

10.12096/j.2096-4528.pgt.19021

2019-02-18。

国家科技重大专项(2017ZX07106）。

Project Supported by National Science and Technology Major Project(2017ZX07106).

(责任编辑 辛培裕)