東南大學：MXene＠MnO2修飾碳布作為生物燃料電池陽極

來源：材料分析與應用

成果簡介

能源緊缺與環境污染是當前全球經濟發展面臨的主要問題，開發綠色可持續型能源技術

緩解當今社會能源短缺和防治環境污染等具有重要意義。微生物燃料電池(MFC)作為新興

產能設備，因其綠色環保、運行成本低、穩定性良好，同時具有凈化污水和生態環境修復

的功能。基于此，東南大學王育喬教授課題組聯合重慶三峽學院謝昆教授課題組在

《ChemistrySelect》上發表題為“MXene@MnO2/Carbon Cloth as an Anode for Microbial 

Fuel Cells”的研究論文。

本工作以導電性高、親水性好的MXene為基底，在其表面有序生長生物相容性強的MnO2納米片，

在碳布表面構筑MXene@MnO2電極。因其具有高孔隙結構、良好的生物相容性和超親水性增強了

其作為MFC陽極時的胞外電子傳遞作用（圖1），從而促進MFC的快速啟動與電能輸出。該類陽極

的制備工藝簡單、反應條件溫，適合大規模產業化。

圖1、 MXene@MnO2增強胞外電子傳遞過程

文章要點

要點一：促進電池快速啟動

為了實現MFC的快速啟動和高效穩定運行，進而提升其產電性能與降廢效率，研究者們正為

開發高性能陽極而努力。

相比氮摻雜石墨化碳、導電高分子等材料，本工作設計將MnO2納米片有序生長在MXene基底

表面后修飾碳布作為陽極，具有制備工藝簡易、綠色環保及成本低等優點。構筑得到的陽極

具有導電性高、親水性好、生物相容性高等特點，MXene@MnO2修飾碳布作為陽極有助于微生物

群落在其表面快速定植與繁殖，從而實現MFC的快速啟動，其啟動時間短到70 h。

要點二：增強輸出能量密度

傳統MFC的輸出功率密度低，嚴重制約了其工業化推廣與應用。文獻調研顯示，其功率密度的

輸出與生物陽極內阻、胞外電子傳遞過程緊密關聯，陽極內阻越小、胞外電子傳遞越快，越有

利于能量的輸出、提高其能量密度。

鑒于此，構筑MXene@MnO2的新型結構，電活性細菌在其表面的負載量顯著提高，其代謝產生的

電子通過復合結構能夠快速轉移到外電路。MXene@MnO2的特殊結構提高了陽極的產電性能和促

進了胞外電子傳遞過程，從而增強了MFC的輸出功率密度，其功率密度提高到746.3 mW·m-2。

要點三：高效降解有機污染物

傳統MFC陽極室內菌落結構單一，對難降解有機污染物的代謝較慢，使其降廢性能和能量回收

效率均較低，嚴重制約了其在環境治理與能源回收中的應用。

MXene@MnO2修飾的碳布陽極表面能夠形成致密而厚實的生物膜，微生物群落結構豐富，其代謝能

力強。因此具有降解有機污染物強的特點，對剛果紅染料的降解效率高、循環降解性能好。因此，

MXene@MnO2修飾的碳布陽極組裝的MFC在環境治理與能量回收領域表現出應用潛能。

圖文導讀

圖 2 (a)MXene、(b) MnO2和(c-d)MnO2@MXene的SEM圖像

圖3 (a、b) XRD圖譜；(c)MnO2@MXene/CC、(d)MnO2/CC、(e)CC和(f)MXene/CC陽極材料的潤濕角

圖4 陽極接種前(a、c)和接種后(b、d)的電化學性質

圖5 MFC的(a)電壓輸出、(b)功率密度、(c)極化曲線以及(d)電極電勢

圖6 (a)剛果紅染料在MFC中的降解效率和(b)MnO2@MXene/CC-MFC的循環降解性能

文獻：

https://doi.org/10.1002/slct.202200612