摘要：微生物燃料电池（（Microbial Fuel Cell，MFC），是一种新颖的生物电化学系统，具备将有机物内的化学能直接转变为电能的能力，具备将有机物内蕴藏的化学能直接高效地转化为电能的能力。本文综述了微生物燃料电池的基本原理、优势、研究现状以及节能效果并对其未来的发展前景进行了展望。

关键词：微生物燃料电池；双碳；节能减排；能源回收

当前，全球能源需求呈现持续增长态势，在“双碳”目标的指引下，探寻可持续且清洁的能源解决方案，已成为当下亟需解决的关键要务。MFC是一种典型能源技术，能够利用微生物将有机物转化为电能，同时达到废水处理和能源回收的效果，故而受到了广泛的关注。

一、原理

MFC是一种借助微生物代谢活动将化学能直接转变为电能的设备。其原理在于，在阳极室，微生物分解有机物，生成电子、质子以及代谢产物；电子经由外电路被传送到阴极，质子则可以通过膜转移到阴极；在阴极，氧气等氧化剂与电子、质子相结合生成水，进而形成电流[1]。由此能够达成废水处理与电能回收，更进一步促进了碳循环，同时也减少了二氧化碳的排放。

二、优势

MFC与目前常用污水处理相比，MFC具有一系列独特而引人注目优势：1.能够将污水中的有机物转化为电能从而实现能源的回收与利用，能源回收；2.能够同时进行有机物降解和电能产生从而提高了污水处理效率[2]，高效降解；3.能够减少化学药剂的使用从而降低了二次污染的风险，环境友好；4.能够利用自然存在的微生物从而具有较好的可持续性，可持续性；5.能够除了污水处理还能产生电能和有价值的副产品，多功能性。

三、研究现状

美国在MFC技术的研究与开发领域处于领先地位。美国能源部以及美国国家科学基金会等多个重要机构均对MFC技术的研究提供了大量资金支持。此外，美国的众多大学和研究机构在MFC技术的研究方面也取得了显著的成果。例如在2023年，美国宾汉姆顿大学成功研发出一种纸基的MFC。该MFC不仅具有可生物降解的特性，而且其效率相较于之前有了进一步提高。该电池采用了纸张与工程聚合物的混合物，而聚合物正是赋予电池生物可降解能力的关键因素。研究团队对该电池在水中的降解情况进行了测试，结果表明该电池在水中能够明显降解，且无需特殊装置、条件或引入其他微生物。这种“聚合物-纸”结构具有轻量、低成本且柔性的特点，通过简单地折叠或堆叠这种混合纸-聚合物的柔性设备，有望进一步增强其功率。生产这种生物电池的工艺简单明了，其材料可根据具体需求进行相应的配置修改。

在MFC技术的研究领域，日本也取得了诸多显著成果。日本的一些高校和研究机构在该技术的研究方面展现出世界领先水平。2022年，据《日本经济新闻》相关报道，日本山口大学的阿齐兹·莫克苏德副教授成功研发出“植物微生物燃料电池”。该电池通过利用芋头、茄子等植物与微生物的相互作用来提取电力。其产生的电力不仅可以用于点亮小灯泡等，而且对环境产生的负面效应极小。

MFC技术近年来在我国也是备受关注的一大研究热点。在污水处理领域，许多高校和科研团队积极开展深入探索。2023年，江苏海洋大学的杨菁[3]教授团队公开发表了相关研究论文，对人工湿地-微生物燃料电池（ CW-MFC）系统进行研究分析，CW-MFC是一种生态友好的可持续技术，结合了人工湿地（ CW）运行成本低的特点和微生物燃料电池（ MFC）能量转化率高的优点，在污水处理领域有着广阔的发展前景。此外，2023年重庆大学的苟珍琼[4]团队深入了对光催化耦合MFC协同处理废水的研究，该技术兼具光催化及MFC双重优点，其污染物去除能力和产电能力相较于单一光催化或MFC更具优势。

四、MFC的节能效果

MFC在现阶段在污水处理中应用广泛。MFC借助微生物的新陈代谢过程，将废水中的有机物质分解，在这个过程中，不仅能够有效清除污染物，还能同时产生电能[5]。这种将废水处理与能源产生相结合的技术，为节能减排和资源循环利用提供了全新的途径。

MFC并非通过复杂的多步转化过程来获取能量，而是直接利用微生物在代谢过程中所产生的能量来进行发电。这样一来，就大大减少了传统能源转化过程中因多次能量转换而导致的能量损耗。

与其他一些能源转换技术相较而言，MFC在能源利用效率方面表现出了一定的优势。它能够以更高的效率将有机物中所蕴含的化学能直接转化为电能，这种高效的能量转化方式使得MFC在节能方面更具潜力。通过这种方式，MFC能够切实有效地实现节能的目标，为可持续能源利用提供了一种有前景的途径。

五、展望

现阶段，MFC存在以下较为明显的缺陷，与目前常见污水处理方式相比，存在诸多不足之处：

1.成本方面：MFC的设备及维护成本较高，经济成本较大。不过，随着技术的进步和规模化生产，其设备及维护成本有望逐渐降低。

2.电能输出稳定性：受多种因素影响，MFC的电能输出可能存在不稳定的状况，输出效能缺乏稳定性。未来能够通过不断的研究和改进，有望提高其电能输出稳定性，使其更加可靠。

3.处理能力：MFC对高浓度污水的处理能力可能不及某些常规污水处理方法，处理能力存在局限性。但随着技术的突破和优化，其对高浓度污水的处理能力可能会得到提升，逐渐缩小与常规污水处理方法的差距。

4.技术成熟度：目前该技术仍处于持续发展和完善的过程中，在实际应用中可能面临一些技术方面的难题，技术成熟度相对较低。随着研究的深入和实践经验的积累，MFC的技术成熟度将不断提高，逐步解决实际应用中的技术难题。

六、结语

微生物燃料电池作为一种处于前沿领域的生物电化学系统，被广泛认为具有极大的发展潜力。尽管目前它还面临着一些技术挑战和难题，但随着科研人员对其不断深入研究，MFC的性能正在逐步提升，同时生产成本也在不断下降。这使得MFC在废水处理、可再生能源生产等领域有了更加广泛的应用前景[6]。未来，MFC可以成为一项关键的能源技术，为实现可持续发展目标提供有力支持，为人类的能源问题提供有效的解决方案。

基金项目：2024年浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）（2024R480A005）；2023年度金华市公益性技术应用研究项目（2023-4-273）

参考文献

[1]蒋进元，张月，何绪文，等.微生物燃料电池工作原理及产电性能提升策略[J].环境工程技术学报，2024，14（02）：699-709.

[2]王浩，鲁浩蕴.微生物燃料电池产电性能及其在污废水处理中的研究进展[J].山东化工，2023，52（09）：80-83+86.

[3]杨菁，骆辉，蔡冰鑫，等.人工湿地-微生物燃料电池处理废水的研究进展[J].应用化工，2023，52（07）：2157-2164.

[4]苟珍琼，郑道会，罗发文.光催化耦合微生物燃料电池协同处理废水的研究进展[J].现代化工，2023，43（S1）：101-104.

[5]王辛.微生物燃料电池在污水处理中的应用研究进展[J].辽宁化工，2024，53（06）：865-867+871.DOI：10.14029.

[6]王子义，张嫄，刘根深，等.微生物燃料电池污废水处理及能源化研究进展[J/OL].净水技术，1-9[2024-09-01].