微生物燃料电池 (microbial fuel cell, MFC) 是最近10年来的研究热点，其可以在分解代谢各类污染物的同时输出电能，且无需任何动力及能源输入^[1~4].在当今能源紧张及环境压力较大的背景下MFC吸引了越来越多的关注.但是目前MFC输出功率较低、成本较高限制了其进一步发展.阳极材料影响产电菌的附着生长和胞外电子传递效率，并进一步影响MFC的功率输出，因此筛选导电性好、生物相容性高、比表面积大且成本低廉的阳极材料成为MFC的研究热点之一^[5~7].目前，应用最为广泛的电极主要为碳质材料，为了进一步提高性能，对其采用物理化学方法处理^[8~12]或是利用其它材料进行表面修饰^[13~16].

聚苯胺 (polyaniline, PANI) 是一种具有导电性的高分子材料^[17]，在中性的阳极液中带正电荷，和带负电荷的细菌之间存在静电引力，生物相容性较好，已被应用于MFC阳极的修饰，但其缺点是导电性一般，比表面积较小，影响产电菌在阳极表面的富集和电子传递效率^{[18, 19]}.石墨烯是一种碳原子的单层结构，具有优异的导电性、巨大的比表面积 (2 600 m² ·g^-1) 和化学惰性^{[20, 21]}.已有研究将石墨烯应用于MFC阳极修饰，其缺点是生物相容性一般，不利于产电菌的富集生长^[22~25].如将石墨烯和PANI组成复合物修饰阳极可充分利用石墨烯和PANI的特点，制备性能优异的电极，提高MFC产电性能和底物降解效果.目前石墨烯/PANI复合材料应用在电容器方面的研究较多，但应用于MFC电极修饰方面的较少，相关研究成果总结于表 1中.

表 1 (Table 1)

表 1 石墨烯掺杂PANI作为MFC阳极的性能 Table 1 Performance of MFC with PANI dopped graphene anodes 阳极 修饰方法 反应器构型 阳极接种体 阴极或阴极液 反应器体积/mL Pmax /mW·m-2 PANI/石墨烯/碳布 电化学 双室 厌氧污泥 铁氰化钾 80 1 390[26] PANI/石墨烯纳米带/碳纸 电化学 双室 S. oneidensis 铁氰化钾 N/A 856[27] PANI/石墨烯/铂/碳布 机械涂覆 双室 E. coli 铁氰化钾 20 2 059[28] PANI/石墨烯/钛片 电化学 双室 生活污水 铁氰化钾 1 400 156[29]

表 1 石墨烯掺杂PANI作为MFC阳极的性能 Table 1 Performance of MFC with PANI dopped graphene anodes

文献[26, 27]中石墨烯和PANI分层存在，并没有充分利用石墨烯和PANI的优良性能，PANI位于电极最外层，产电菌只能首先和PANI接触并通过PANI修饰层传递电子，但PANI导电性一般，再加上其比表面积较小，影响了产电菌的电子传递效率.内层的石墨烯比表面积大、导电性较好，但产电菌并没有和石墨烯直接接触，其优异性能未完全利用.文献[28]修饰方法程序复杂且需要昂贵的氯铂酸，不利于MFC的实际应用.文献[29]利用电化学方法修饰，最大输出功率密度 (maximum output power density, P_max) 较低.以上研究均以铁氰化钾为阴极液，虽然铁氰化钾作为阴极电子受体电位较高，但是不利于MFC技术的推广应用.

本研究采用的修饰方法为同步原位聚合修饰法，在石墨烯水分散液中加入苯胺单体，随后在冰浴搅拌条件下加入预冷的过硫酸铵溶液原位生成石墨烯掺杂PANI颗粒，PANI和石墨烯充分混合，PANI点缀在石墨烯表面，产电菌充分利用了石墨烯和PANI的优点.利用此复合材料修饰碳布并作为MFC阳极，产电性能提高，并且和上述文献相比，修饰制备方法简单.此外，本研究采用单室空气阴极MFC，有利于MFC的实际推广应用.

(1) 石墨烯的制备参照文献[30]中的方法.首先称取0.6 g KNO₃与0.5 g鳞片石墨 (300目)，搅拌下 (400 r ·min^-1) 缓慢加入预装23 mL浓硫酸的烧杯中，搅拌10 min后缓慢加入1.5 g高锰酸钾，然后将混合液置于35℃下搅拌3 h，随后滴入40 mL去离子水 (此时温度上升至80℃)，继续搅拌5 min (400 r ·min^-1)，加入100 mL去离子水和3 mL质量分数为30%的双氧水后过滤处理，用1 mol ·L^-1盐酸溶液洗涤滤饼，直至以BaCl₂溶液检测不到SO₄^2-为止，然后水洗至中性，冷冻干燥得到氧化石墨粉末.取0.2 g氧化石墨分散在100 mL水中，超声剥离3 h，加入0.5 mL质量分数为85%的水合肼，水浴30℃条件下静置反应5 h，得到石墨烯水溶液，离心水洗后冷冻干燥得到黑色片状石墨烯纳米片.

(2) 依据文献[18]的方法制备PANI.在三角瓶中加入1.8 mL苯胺单体和60 mL盐酸溶液 (1 mol ·L^-1)，冰浴中搅拌混匀30 min (400 r ·min^-1).将1.08 g过硫酸铵 (过硫酸铵与苯胺单体的摩尔比等于1时生成的PANI电导率最大) 溶解于60 mL盐酸溶液 (1 mol ·L^-1)，待三角瓶中苯胺单体溶液的温度降至0℃左右，将过硫酸铵溶液迅速滴加到三角瓶中，在0~5℃保持10 h，再在室温下持续搅拌 (400 r ·min^-1) 8 h，停止反应，抽滤，用乙醇和去离子水洗涤数次至滤液无色并呈中性，-50℃真空冷冻干燥24 h (Free Zone 1L, Labconco)，研磨均匀置于干燥皿中保存.

在三角瓶中分别配制100 mL浓度分别为0.05、0.25和1 g ·L^-1的石墨烯水分散液，超声 (300 W)30 min使石墨烯分散均匀，然后加入0.5 g苯胺单体 (苯胺:石墨烯质量比分别为100、20和5) 和60 mL 1 mol ·L^-1的盐酸溶液再次超声30 min，苯胺单体依靠π—π堆积作用吸附到石墨烯纳米片表面.预先在烧杯中将1.08 g过硫酸铵溶解于60 mL 1 mol ·L^-1盐酸溶液，待三角瓶中溶液的温度降至0℃左右，将过硫酸铵溶液迅速滴加到三角瓶中，反应温度保持在0~5℃约10 h，再在室温下持续搅拌8 h，停止反应，抽滤，用乙醇和去离子水洗涤至滤液无色，真空冷冻干燥24 h，仔细研磨均匀并称重，制备的石墨烯掺杂PANI复合物分别命名为1%石墨烯、5%石墨烯和20%石墨烯，样品置于干燥皿中保存.

5种电极修饰材料 (石墨烯、PANI、1%石墨烯、5%石墨烯、20%石墨烯) 与聚偏二氟乙烯 (polyvinylidene fluoride, PVDF) 按照10 :1的质量比仔细研磨15 min，滴入适量的N-甲基吡咯烷酮 (N-methyl pyrrolidone, NMP) 混合成膏状，用小刷子均匀涂抹于碳布两面 (不防水碳布，厚度0.34 mm, HCP330N，购自上海河森)，单面负载量为5 mg ·cm^-2，60℃烘干5 h备用.

采用单室空气阴极MFC，容积28 mL，阴阳极直径均为3.7 cm，有效面积7 cm²，阴极为修饰了铂碳的防水碳布 (厚度0.40 mm, HCP330P，购自上海河森)^[31].接种物来自稳定运行的MFC阳极液 (初始接种物为太湖底泥，干重43.6%)，电解质为包含1 g ·L^-1乙酸钠溶液，其余成分包括2.77 g ·L^-1 NaH₂PO₄ ·2H₂O、11.40 g ·L^-1 Na₂HPO₄ ·12H₂O、0.31 g ·L^-1 NH₄Cl、0.13 g ·L^-1 KCl、5 mL ·L^-1维生素和12.5 mL ·L^-1微量元素.维生素和微量元素的配制参照文献[32]的方法，pH=7.0，电导率7.0 mS ·cm^-1.以上试剂均为分析纯.启动期MFC阳极室按照体积比阳极液:电解质=1 :1的比例进水，每一类型阳极反应器一式两份，30℃序批式培养.

扫描电镜 (SEM, S-4800, Hitachi) 观察电极材料结构形态.傅里叶红外光谱 (FTIR, Nicolet iS10, Thermo Fisher Scientific spectrophotometer) 分析电极材料官能团.电极电化学及生物电化学分析在电化学工作站上进行 (CHI660D，上海辰华)，采用三电极体系，Pt丝为对电极，饱和甘汞电极[SCE，型号232, 0.224 4 V vs标准氢电极 (SHE)，上海雷磁]为参比电极.其中电化学性能分析以玻碳电极为工作电极 (Φ=3 mm)，分析前在玻碳电极表面滴加含有电极修饰材料的质量分数为0.5%的Nafion乙醇溶液10 μL，电极修饰材料浓度为1 mg ·mL^-1，电化学分析包括循环伏安扫描 (cyclic voltammetry, CV) 和线性伏安扫描 (linear sweep voltammetry, LSV)，电解液均为50 mmol ·L^-1的磷酸盐缓冲溶液 (phosphate buffered solution, PBS)，pH=7.0，前者扫描速率50 mV ·s^-1，后者扫描速率10 mV ·s^-1.每隔0.5 h测定MFC输出电压 (34972A, Agilent)1次，外接1 000 Ω外阻.生物电化学分析以长有生物膜的阳极为工作电极，CV测试时扫描电势范围为-800~800 mV，扫描速度1 mV ·s^-1，正向扫描.电化学交流阻抗谱 (electrochemical impedance spectroscopy, EIS) 分析以电池开路电压为起始电压，扫描频率范围0.05~100 000 Hz，振幅为0.01 V的正弦信号波动，拟合软件Zview^{[33, 34]}.极化曲线和功率密度曲线的测定采用LSV法，以阳极为工作电极，阴极为对电极和参比电极，测试前反应器至少稳定1 h使得开路电压稳定，从开路电压扫描到0，扫描速率1 mV ·s^-1.电流I通过欧姆定律I=U/R计算得到，功率由P=UI计算而得，电流密度和功率密度通过电流和功率分别除以阳极面积 (7 cm²) 计算得到.化学需氧量 (chemical oxygen demand, COD) 浓度测定采用国标方法.生物量测定采用脂磷法^[35]，通过萃取生物体中的脂类物质，测定磷含量表征总生物量.分析步骤包括提取、消解和测定，首先将生物阳极剪碎置于100 mL的分液漏斗中，然后往分液漏斗中依次加入15 mL氯仿、30 mL甲醇和12 mL去离子水.振荡静置2 h后，向混合液中再加入15 mL去离子水和15 mL氯仿，静置24 h使溶液分层.将下层脂相放出至茄形瓶中，在旋转蒸发仪中蒸至大约3 mL左右.将剩余溶液转移至10 mL比色管中，并用氯仿洗茄形瓶2次.在氮吹仪上40℃恒温吹干溶剂.最后，在比色管中加入4 mL过硫酸钾溶液，121℃加热消解30 min.钼锑抗分光光度法测定提取的磷.库仑效率 (coulombic efficiency, CE) 利用 (1) 式计算得到^[36].

(1)

式中，M为氧气的分子质量 (32 g ·L^-1)，t为时间 (s)，I为t时刻的电流 (A)，T为周期时间 (s)，n为每摩尔氧气被还原转移的电子数4，V为反应器容积 (m³)，COD₀为起始COD浓度 (mg ·L^-1)，COD_T为出水COD浓度 (mg ·L^-1)，F为法拉第常数 (96 485 C ·mol^-1).文中电势均参照SCE标准电极，所有测试重复3次，取平均值.

本研究利用氧化还原法成功制备褶皱状的石墨烯纳米片[图 1(a)]和PANI纳米线[图 1(b)]；1%石墨烯由于石墨烯含量较少，未看到明显的石墨烯纳米片[图 1(c)]，外观形态和图 1(b)基本相似；当石墨烯含量增加时，从5%石墨烯中可看到PANI纳米线无规则地附着在片状的石墨烯表面[图 1(d)]；当石墨烯含量进一步增加时，从20%石墨烯中可看到石墨烯纳米片完全覆盖PANI纳米线[图 1(e)].

图 1

Fig. 1

(a) 石墨烯，(b) PANI，(c) 1%石墨烯，(d) 5%石墨烯，(e) 20%石墨烯 图 1 不同电极修饰材料扫描电镜图 Fig. 1 SEM images of the different electrode modification materials

从图 2可以看出，PANI、石墨烯掺杂PANI复合物均出现PANI特征吸收峰，1 578 cm^-1对应PANI醌环中C＝C的振动吸收峰，1 466 cm^-1对应PANI苯环中C＝C的振动吸收峰，1 376 cm^-1对应二级芳香胺C—N伸缩振动，1 295 cm^-1对应PANI质子化的特征吸收峰，1 119 cm^-1对应醌环C—N的伸缩振动，797 cm^-1对应平面外N—H弯曲吸收振动^[37].石墨烯在制备过程中由于还原不彻底，保留部分含氧基团如羧基、羟基和环氧基等，1 644 cm^-1和1 110 cm^-1处的吸收峰分别归属于石墨烯上羧基等含氧官能团的C＝O和C—O，1 569 cm^-1处的吸收峰属于C＝C的吸收峰，3 455 cm^-1处的吸收峰属于羟基的O—H伸缩振动^[38].

图 2

Fig. 2

(a) 为全波段扫描结果，(b) 为525~2 000 cm-1波段扫描结果；(1) 石墨烯，(2) PANI，(3) 20%石墨烯，(4) 5%石墨烯，(5) 1%石墨烯 图 2 电极修饰材料的傅里叶红外光谱图 Fig. 2 FTIR spectra of the different electrode modification materials

由图 3(a)可以看出，石墨烯CV曲线近似一矩形 (放大后)，无氧化还原峰，表现为典型的导体电容特征.石墨烯在充放电过程中体现的是双电层电容原理，无赝电容，同时也说明了石墨烯具有较大的比表面积. PANI扫描曲线显示两对明显的氧化还原峰，式电位分别为0.13 V (氧化峰0.21 V，还原峰0.05 V) 和0.65 V (氧化峰0.72 V，还原峰0.56 V)，分别对应PANI的全还原态-中间态反应和中间态-全氧化态反应^{[39, 40]}.当石墨烯掺杂PANI后，两对氧化还原峰依旧明显，并且随着石墨烯含量的增大峰电流也随之增大，说明石墨烯掺杂PANI后，电化学活性表面积增大；从CV曲线环绕的面积来看，石墨烯掺杂PANI后比电容增大，同样也说明了掺杂后电化学活性表面积的增大.和PANI明显的氧化还原峰相比，掺杂后的PANI峰形变的平缓宽阔，原因可能为表面积的增大导致双电层电容电流增大，与PANI产生的赝电容相叠加导致宽锋的出现.从LSV扫描[图 3(b)]中可以看出，随着复合材料中石墨烯含量的增加，电流随之增大.石墨烯是良好导体，无电化学活性，PANI在中性环境下导电性能下降，所以石墨烯和PANI的LSV扫描曲线近似呈一条直线，响应电流较小；当二者结合后，石墨烯的良好导电性、大比表面积和PANI的氧化还原活性使得扫描电流增大.电化学性能分析结果表明，复合电极以20%石墨烯电化学性能最优.

图 3

Fig. 3

图 3 不同电极修饰材料电化学性能分析 Fig. 3 Electrochemical properties analysis of the different electrode modification materials

反应器运行2周后，输出电压趋于稳定，表明启动成功 (图 4).输出电压最高为5%石墨烯反应器的 (568±47) mV，其次为石墨烯的 (529±51) mV、20%石墨烯的 (521±45) mV、1%石墨烯的 (518±33) mV、PANI的 (512±48) mV、碳布的 (452±37) mV. PANI生物相容性较好，但是在pH=7.0的阳极液中PANI去质子化导致PANI导电性下降，影响胞外电子传递效率，所以PANI电极输出电压只高于裸碳布阳极，低于其它阳极；PANI掺杂适量的石墨烯后比表面积增大且导电性增强，有利于更多产电菌的附着生长和电子传递，所以5%石墨烯输出电压最高；当石墨烯含量太高时，PANI纳米线完全被石墨烯包裹[图 1(e)]，复合材料的生物相容性降低，影响产电菌的吸附生长；石墨烯含量太低[图 1(c)]，石墨烯的大比表面积和良好的导电性没有得到利用，电子传递效率下降，同样影响输出电压.生物量密度测定结果 (表 2) 表明，PANI修饰后阳极生物量密度增大，当掺杂适量的石墨烯后，由于比表面积增大和电子传递效率的增加，产电菌进一步富集生长，5%石墨烯电极表面生物量磷密度 (2.6±0.3)μg ·cm^-2最高.

图 4

Fig. 4

图 4 不同反应器输出电压曲线图 Fig. 4 Profiles of the outputted cell voltages in different MFCs

当输出电压连续3个周期趋于稳定后，利用LSV法测得最大功率密度，如图 5(a)所示最高为5%石墨烯的 (831±45) mW ·m^-2，比20%石墨烯、1%石墨烯、石墨烯、PANI、碳布分别高17.2%、29.0%、32.3%、48.4%、82.6%.经过2个月的运行后，5%石墨烯的P_max仍然最高[图 5(c)]，为 (703±36) mW ·m^-2，比裸碳布高98.6%，说明石墨烯掺杂PANI修饰电极在长期运行后仍保持一定的稳定性.最高输出电压和P_max结果一致，开路电压 (open circuit voltage，OCV)、COD去除率和CE均以5%石墨烯最高 (表 2). PANI修饰后P_max变化不大，仅仅提高1.3倍，原因可能为在中性环境下，PANI去质子化导致导电性能下降，影响了细菌与电极之间的胞外电子传递，所以P_max仅有微弱的提升.石墨烯阳极P_max是碳布阳极的1.6倍，石墨烯修饰后碳布比表面积增大，有利于更多微生物的附着生长.而石墨烯掺杂PANI后，电极比表面积增大、导电性增强且具有良好的生物相容性，因此单位面积细菌生物量增大、电子传递效率提高.单电极极化曲线[图 5(b)和5(d)]显示阴极性能差别不大，阳极性能差别较大，表明阳极是影响产电性能的主要因素，5%石墨烯阳极极化程度最小，阳极性能最佳.在2.2节分析中，以20%石墨烯电化学性能最优，说明在筛选制备MFC阳极时，不仅需要考虑电化学性能 (导电性、比表面积、孔径结构等)，材料的生物相容性也是重要因素之一.

图 5

Fig. 5

图 5 不同阳极的功率密度和极化曲线 Fig. 5 Power density and individual potential curves of different anodes

表 2 (Table 2)

表 2 不同反应器生物电化学性能1) Table 2 Bioelectrochemical properties of different MFC reactors1) 阳极 最高输出电压/mV OCV /mV Pmax /mW·m-2 COD去除率/% CE /% 生物量磷/μg·cm-2 极化内阻/Ω 碳布 452±27 698±35 455±29 76.8±6.8 21.8±2.5 1.1±0.2 121±13 PANI 512±31 745±43 560±47 78.9±8.7 24.7±2.3 1.7±0.2 54±4 石墨烯 529±42 767±56 628±45 82.3±7.8 25.9±1.8 1.6±0.2 44±3 1%石墨烯 518±33 755±41 644±39 81.8±6.8 27.8±2.4 2.1±0.2 47±3 5%石墨烯 568±34 845±52 831±45 92.4±6.6 33.5±2.2 2.6±0.3 24±2 20%石墨烯 521±26 815±47 709±37 83.5±7.7 29.6±2.6 2.3±0.2 38±4 1) 反应器外电阻均为1 000 Ω, 数值为平均值±标准差

表 2 不同反应器生物电化学性能1) Table 2 Bioelectrochemical properties of different MFC reactors1)

利用EIS进一步分析各反应器极化内阻大小[图 6(a)].根据电化学阻抗数据并经等效电路拟合后得到溶液内阻和极化内阻，溶液内阻相差不大，均为15 Ω左右，极化内阻差异较大，碳布极化内阻高达 (121±13) Ω，分别是PANI、石墨烯、1%石墨烯、5%石墨烯、20%石墨烯的2.2、2.8、2.6、5.1和3.2倍.极化内阻越小表明电子传递效率越高，产电性能越好.如2.2节分析，5%石墨烯导电性好、比表面积大且生物相容性高，石墨烯和PANI之间可能建立了高效的电子传递通路，所以极化内阻最小，产电性能最高.在低频区碳布电极直线范围更大，说明其传质阻力较大；各类修饰电极传质阻力较小，可能为修饰电极具有更高的比表面积和更适宜的孔径结构，有利于各类代谢物质的传入和传出.

图 6

Fig. 6

图 6 不同反应器的EIS拟合图和CV扫描图 Fig. 6 EIS fitting and CV curves of different MFC reactors

利用CV分析各类电极表面电子传递过程，由图 6(b)可以看出，5%石墨烯、20%石墨烯电极扫描电流最高，其次为石墨烯、PANI和碳布电极；在2.2节电化学CV扫描中，PANI扫描电流大于石墨烯，原因可能为在电化学测试中去质子化的PANI仍然具有部分氧化还原活性，石墨烯是纯导体没有氧化还原活性，所以扫描电流较小；当电极表面长有生物膜后，阻隔了离子和PANI之间的电荷转移，此时的电流主要来自生物膜中产电菌释放的电子，所以PANI电极扫描电流小于石墨烯.

在碳布CV扫描中[图 6(c)]，出现两对明显的氧化还原峰，式电位分别为-0.20 V和-0.07 V.根据已有研究，随接种物、生长周期、反应器运行条件 (pH、温度、底物、电解液等) 的不同，细胞色素c在一个较宽的电势窗口内均可进行电子传递 (-482~18 mV, vs. SCE)^{[41, 42]}，所以-0.20 V和-0.07 V对应的物质可能为参与电子传递的电化学活性物质细胞色素c.在PANI和1%石墨烯电极CV图中也出现两对氧化还原峰，式电位分别为-0.20 V和-0.12 V，也可能对应参与电子传递的细胞色素c，0.55 V之后电流的突然上升为PANI的氧化还原反应. PANI电极CV扫描出现细胞色素c电化学活性峰，说明PANI在MFC体系中仍然具有一定的导电性，保证了胞外电子传递的顺利进行.石墨烯电极出现一对较宽的峰，式电位-0.27 V左右，峰较宽可能为在较高背景电流下 (石墨烯电极表面积大，双电层充电电流较大) 细胞色素c类物质峰电流的叠加. 5%石墨烯、20%石墨烯电极背景电流较大，出现一对较明显的氧化还原峰，式电位-0.17 V，同样对应参与电子传递的细胞色素c类物质.

通过同步原位聚合反应并优化石墨烯和PANI的比例关系，制备得到5%石墨烯电极修饰材料，5%石墨烯充分利用了石墨烯导电性好、比表面积大和PANI生物相容性好的特点，利用其作为MFC阳极，最大输出功率密度为 (831±45) mW ·m^-2，是碳布阳极的1.8倍.该修饰方法简单易行、提高了功率密度，有利于加快推进MFC在环境及能源领域的推广应用.此外，实验结果表明电极电化学性能和生物电化学性能并不完全一致，电化学性能主要与比表面积、导电性及孔径结构相关，但在生物电化学性能中，电极的生物相容性是重要因素之一，因此筛选制备性能优良的MFC阳极需要综合衡量.