来源：材料分析与应用

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