微生物燃料电池在污水BOD 在线监测中的电极材料改进

引言

污水中生化需氧量（BOD）是衡量水体有机污染程度的重要指标，实时在线监测 BOD 对水环境治理与污染防控具有重要意义。微生物燃料电池凭借其直接利用污水中有机物产电、无需外加能源的优势，成为 BOD 在线监测的新型技术。然而，当前电极材料性能不足导致其在复杂污水环境中监测稳定性差、响应速度慢。探索电极材料的科学改进策略，提升其生物兼容性与电化学性能，对强化污水 BOD 在线监测技术实用性具有重要价值。

一、微生物燃料电池电极材料应用存在的问题

（一）生物相容性与微生物附着不足

电极材料表面特性影响微生物的附着与定植，当前部分电极材料表面光滑、亲水性差，难以形成稳定的生物膜。微生物在材料表面的吸附能力弱，导致参与代谢的微生物量不足，无法充分利用污水中的有机物，影响 BOD 监测的灵敏度。材料表面缺乏适宜的微观结构与化学位点，微生物群落结构不稳定，易受污水成分波动影响而脱落，造成监测信号波动，降低数据可靠性。

（二）电化学活性与电子传递效率有限

电极材料的电化学活性直接决定电子传递效率，传统电极材料的导电性能与催化活性不足，导致微生物代谢产生的电子无法高效传递至电极表面。材料表面缺乏有效的电子传递位点，电子传递路径受阻，造成产电信号微弱，难以准确反映污水中 BOD 浓度变化[1]。部分材料对微生物代谢产物的氧化还原反应催化能力弱，进一步限制电子传递效率，导致监测响应滞后。

（三）材料稳定性与耐腐蚀性欠佳

污水环境复杂，含有多种腐蚀性物质与微生物代谢产物，电极材料长期浸泡易发生化学腐蚀与生物侵蚀，导致结构破损。材料表面氧化、溶解或剥落现象明显，造成电极有效面积减小，电化学性能衰减，影响监测数据的长期稳定性。部分材料机械强度不足，在水流冲击与微生物附着生长的双重作用下易发生变形或断裂，缩短电极使用寿命，增加监测成本。

二、微生物燃料电池电极材料改进的核心方向

（一）优化表面特性提升生物相容性

电极材料改进需以提升生物相容性为核心，通过表面改性构建适宜微生物附着的微环境。调控材料表面的亲疏水性与粗糙度，增加微生物吸附位点，促进生物膜形成与稳定。引入生物亲和性官能团，改善材料与微生物细胞的界面相互作用，增强微生物定植能力，确保代谢过程持续稳定进行。通过表面修饰为微生物提供营养供给与生存保护，维持功能微生物群落结构。

（二）增强电化学活性促进电子传递

提升电极材料的电化学活性是改进的关键目标，通过材料组分优化与结构设计增强导电性能与催化活性。选择高导电性基材构建电极骨架，降低电子传递电阻，加速电子从微生物向电极的迁移。引入催化活性组分，增强对微生物代谢中间产物的氧化催化能力，减少电子传递过程中的能量损耗 [2]。设计多孔结构增大电极比表面积，增加电化学活性位点数量，提升电子传递效率与产电信号强度。

（三）提升材料稳定性与环境适应性

电极材料需具备良好的化学稳定性与耐腐蚀性，通过材料选择与处理工艺改进增强环境适应性。选用耐污水腐蚀的基材与涂层材料，抵抗化学物质侵蚀与微生物降解，维持材料结构完整性。优化材料制备工艺，提升机械强度与表面结合力，减少因水流冲击与生物膜生长导致的材料损耗。通过表面钝化或封装处理，隔绝腐蚀性物质与电极核心结构的接触，延长电极使用寿命，保障长期监测稳定性。

三、微生物燃料电池电极材料改进的具体策略与应用优化

（一）表面改性与功能修饰技术应用

采用物理与化学方法对电极材料进行表面改性，通过等离子体处理增加表面粗糙度与活性基团，提升微生物亲和性。利用溶胶 -凝胶法在电极表面涂覆生物相容性涂层，引入羟基、羧基等官能团，改善材料表面化学特性，促进生物膜形成。通过电化学沉积技术在电极表面负载纳米级催化颗粒，增强电化学活性位点密度，同时为微生物提供附着支架，实现生物相容性与电子传递性能的协同提升。

（二）复合功能材料的开发与制备

开发新型复合电极材料，将高导电性材料与生物相容性载体结合，构建兼具优良性能的复合结构。以碳材料为基材复合生物高分子材料，利用碳材料的导电性与高分子材料的生物亲和性，提升电极综合性能 [3]。制备金属 - 非金属复合电极，通过金属组分增强催化活性，非金属组分提供生物附着支撑，优化电子传递路径与微生物生存环境。设计梯度功能复合材料，从表层到内部实现生物相容性、电化学活性与结构稳定性的梯度分布，满足不同界面需求。

（三）制备工艺优化与性能测试评估

优化电极材料的制备工艺，通过精确控制反应条件与参数提升材料性能稳定性与重复性。采用模板法、静电纺丝等技术构建有序多孔结构，确保材料比表面积与孔隙分布均匀可控。结合高温烧结、化学气相沉积等工艺增强材料组分间的结合强度，提升机械性能与耐腐蚀性。建立完善的性能测试评估体系，从生物膜形成能力、电化学性能、长期运行稳定性等维度进行综合评价，确保改进材料满足污水 BOD 在线监测的实际应用需求。

结语

电极材料性能是制约微生物燃料电池在污水 BOD 在线监测中应用的关键因素，当前存在的生物相容性不足、电子传递效率低、稳定性差等问题需通过科学改进解决。以表面特性优化、电化学活性增强、稳定性提升为核心方向，应用表面改性技术、开发复合功能材料、优化制备工艺，可显著提升电极性能。持续推进电极材料改进与应用优化，对提升污水 BOD 在线监测精度与长效性具有重要意义，为水环境监测技术发展提供有力支撑。

参考文献

[1] 杨建磊 . 基于微生物燃料电池技术的 BOD 快速检测研究[D]. 大连海事大学 ,2024.

[2] 陈晓婷 . 基于环境驯化的微生物种群构建原位自适应 BOD传感器及其应用 [D]. 五邑大学 ,2023.

[3] 廖承美, 仲子涵, 刘思炎, 等. 基于微生物电化学技术的BOD 传感器的研究进展 [J]. 工业水处理 ,2022,42(06):10-21.