微生物燃料电池（MFC）利用微生物作为生物催化剂，直接将有机物的化学能转化为电能。经过几十年的发展，MFC作为一种减少水处理过程中能耗和碳排放的潜在技术，引起了人们的广泛关注。然而MFC的功率密度（很少超过3W/m2）对于商业应用来说仍然不能令人满意。一个主要障碍是有利于细菌生长的中性和低电导率介质引起的高内阻。有氧富集会导致需氧细菌的生长，从而限制外产电的生长，从而导致阳极性能下降。在构建耐气阳极的研究中，并未考虑生物膜结构对阳极生物膜耐气特性的影响。与浮游微生物不同，物质从溶液扩散到生物膜中是通过层流边界层和生物膜内的空隙发生的。小外电路电阻或高氮气鼓泡速率形成的阳极生物膜往往平坦且致密，而大外电路电阻或低氮气鼓泡速率形成的阳极生物膜通常粗糙且多孔。


在本研究中，研究人员在不同的外部阻力或氮气鼓泡速率下富集阳极生物膜，以操纵生物膜结构并研究构建耐气阳极的方法和机制。系统研究表明具有低外电路电阻或高氮气鼓泡率的阳极形成可以增强生物阳极的耐氧特性。这是通过形成平坦而紧凑的生物膜结构来实现的，该生物膜结构具有较大的层流边界层，从而减少了氧气扩散。因此紧凑型电极组件MFC的功率密度显着增加。这些发现强调了生物膜结构在构建用于MFC高功率发电的耐氧生物阳极中的重要性。


丹麦Unisense微电极研究系统应用


溶解氧是使用连接到unisense微电极研究系统-氧气微传感器（X-5 uniamp，Unisense）测量的。阳极室中充有20 mL/min的空气，以维持稳定的DO浓度。采用马达控制器微电极运动，步长为5μm。每次移动后记录生物膜内的溶解氧浓度，直至微传感器尖端轻轻接触石墨表面而无法向前移动。


实验结果：在不同的外部阻力或氮气鼓泡速率下富集阳极生物膜，以操纵生物膜结构并研究构建耐气阳极的方法和机制。系统研究表明，具有低外电路电阻或高氮气鼓泡率的阳极形成可以增强生物阳极的耐氧特性。这是通过形成平坦而紧凑的生物膜结构来实现的，该生物膜结构具有较大的层流边界层，从而减少了氧气扩散。因此紧凑型电极组件MFC的功率密度显著增加。这些发现强调了生物膜结构在构建用于MFC高功率发电的耐氧生物阳极中的重要性。通过调节外部阻力或氮气喷射速率，也清楚地显示了生物膜结构对层流边界层厚度的影响及其对氧扩散的影响。在较小的外部阻力或较高的氮气喷射速率下形成的阳极生物膜表现出平坦而致密的结构，具有较大的层流边界层（超过300μm），导致进入生物膜的最大氧通量比多孔生物膜低7.5倍。

图1、以20 mL/min的速度直接泵送空气时，MFC电压随时间变化。(a)MFC富含500–4000Ω的外部电路电阻。(b)以20–160 mL/min的氮气喷射速率富集MFC。黑色箭头表示以20 mL/min的空气泵入阳极室的时间。随着阳极富集过程中氮气鼓泡速率的增加，电池电压损失降低。

图2、由（a）富含不同外部电路电阻的阳极，（b）富含不同氮气喷射率的阳极构成的紧凑型电极MFC的功率密度。随着外电阻从1000Ω减小到75Ω或氮气鼓泡速率从20 mL/min增加到80 mL/min，CEA-R200、CEA-R75和CEA-N80的最大功率密度增加了38%、85%和77%至3223 mW/m2、4300 mW/m2和4114 mW/m2。

图3、阳极生物膜中的氧气分布富含(a)500–4000Ω的外部电路电阻。(b)以20–160 mL/min的氮气喷射速率富集MFC。0µm代表石墨阳极表面。评估了阳极生物膜内溶解氧（DO）浓度的分布和生物膜结构。使用氧微传感器测量溶解氧浓度并评估层流边界层的厚度。(c)曝气期间阳极电流损失之间的线性关系。(d)R500、(e)R1000、(f)N80、(g)R2000、(h)R4000和(i)N20的3D物理结构图像。对生物膜进行LIVE/DEAD活力染色并通过CLSM进行观察。活细胞成像为绿色，而死细胞成像为红色。数字代表轴的长度。

图4、耐气阳极和不耐气阳极示意图。Z生物膜和ZL分别指阳极生物膜和层流边界层的厚度。使用氧微传感器测量溶解氧浓度并评估层流边界层的厚度。

图5、不同类型的微生物燃料电池内阳极生物膜内溶解氧（DO）浓度的分布。(a)R500，(b)R1000，(c)R2000，(d)R4000，(e)N20，(f)N80阳极生物膜内氧浓度分布的。0µm为石墨阳极表面


总结：由于可有效降低内阻，减小电极间距被认为是最大化微生物燃料电池（MFC）功率密度的最有效方法。然而减小电极间距带来了氧气从阴极扩散到阳极的挑战，从而降低了阳极性能。构建耐氧阳极可能是最小化氧气对阳极性能影响的有效方法之一。本论文研究人员报告了在生物阳极富集过程中使用小的外部阻力或保持高的氮气喷射率可以显着增强生物阳极的耐氧特性。氧气影响的电压损失显著降低，结果紧凑电极组件MFC的功率密度增加了85%，达到4300 mW/m 2。耐氧生物阳极具有平坦而致密的生物膜结构和较大的层流边界层（超过300μm）以减少氧扩散，而不耐氧生物阳极具有粗糙且多孔的生物膜结构和较小的层流边界层（小于80μm）。所有生物阳极的微生物群落以地杆菌为主（超过55%）。本研究提供了构建用于MFC高发电的耐氧生物阳极的示例方法，构建的耐氧阳极对于MFC技术的实际应用具有重要意义。一方面它克服了氧扩散对阳极的负面影响，并显著提高了紧凑型电极组件MFC的功率密度，另一方面为今后工作中使用更薄的隔膜进一步提高MFC技术的功率密度提供了基础。