成果简介
能源紧缺与环境污染是当前全球经济发展面临的主要问题，开发绿色可持续型能源技术缓解当今社会能源短缺和防治环境污染等具有重要意义。微生物燃料电池(MFC)作为新兴产能设备，因其绿色环保、运行成本低、稳定性良好，同时具有净化污水和生态环境修复的功能。基于此，东南大学王育乔教授课题组联合重庆三峡学院谢昆教授课题组在《ChemistrySelect》上发表题为“MXene@MnO2/Carbon Cloth as an Anode for Microbial Fuel Cells”的研究论文。
本工作以导电性高、亲水性好的MXene为基底，在其表面有序生长生物相容性强的MnO2纳米片，在碳布表面构筑MXene@MnO2电极。因其具有高孔隙结构、良好的生物相容性和超亲水性增强了其作为MFC阳极时的胞外电子传递作用（图1），从而促进MFC的快速启动与电能输出。该类阳极的制备工艺简单、反应条件温，适合大规模产业化。
图1、 MXene@MnO2增强胞外电子传递过程
文章要点
要点一：促进电池快速启动
为了实现MFC的快速启动和高效稳定运行，进而提升其产电性能与降废效率，研究者们正为开发高性能阳极而努力。
相比氮掺杂石墨化碳、导电高分子等材料，本工作设计将MnO2纳米片有序生长在MXene基底表面后修饰碳布作为阳极，具有制备工艺简易、绿色环保及成本低等优点。构筑得到的阳极具有导电性高、亲水性好、生物相容性高等特点，MXene@MnO2修饰碳布作为阳极有助于微生物群落在其表面快速定植与繁殖，从而实现MFC的快速启动，其启动时间短到70 h。
要点二：增强输出能量密度
传统MFC的输出功率密度低，严重制约了其工业化推广与应用。文献调研显示，其功率密度的输出与生物阳极内阻、胞外电子传递过程紧密关联，阳极内阻越小、胞外电子传递越快，越有利于能量的输出、提高其能量密度。
鉴于此，构筑MXene@MnO2的新型结构，电活性细菌在其表面的负载量显著提高，其代谢产生的电子通过复合结构能够快速转移到外电路。MXene@MnO2的特殊结构提高了阳极的产电性能和促进了胞外电子传递过程，从而增强了MFC的输出功率密度，其功率密度提高到746.3 mW·m-2。
要点三：高效降解有机污染物
传统MFC阳极室内菌落结构单一，对难降解有机污染物的代谢较慢，使其降废性能和能量回收效率均较低，严重制约了其在环境治理与能源回收中的应用。
MXene@MnO2修饰的碳布阳极表面能够形成致密而厚实的生物膜，微生物群落结构丰富，其代谢能力强。因此具有降解有机污染物强的特点，对刚果红染料的降解效率高、循环降解性能好。因此，MXene@MnO2修饰的碳布阳极组装的MFC在环境治理与能量回收领域表现出应用潜能。
图文导读
图 2 (a)MXene、(b) MnO2和(c-d)MnO2@MXene的SEM图像
图3 (a、b) XRD图谱；(c)MnO2@MXene/CC、(d)MnO2/CC、(e)CC和(f)MXene/CC阳极材料的润湿角
图3 (a)MnO2@MXene/CC、(b)MnO2/CC、(c)MXene/CC和(d)CC阳极表面菌膜的SEM图像
图4 阳极接种前(a、c)和接种后(b、d)的电化学性质
图5 MFC的(a)电压输出、(b)功率密度、(c)极化曲线以及(d)电极电势
图6 (a)刚果红染料在MFC中的降解效率和(b)MnO2@MXene/CC-MFC的循环降解性能
文献：
https://doi.org/10.1002/slct.202200612
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