综述：金属有机框架功能化生物炭电极：微生物燃料电池技术的新前景

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综述：金属有机框架功能化生物炭电极：微生物燃料电池技术的新前景

时间：2026年1月19日

来源：Sustainable Energy Technologies and Assessments

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MOF-biochar复合材料在微生物燃料电池中通过协同作用提升电化学性能，包括增强电荷传输、促进生物膜形成和降低内阻，同时兼顾可持续性和成本效益，为废水处理与可再生能源回收提供新路径。

阿坎克莎·辛格（Akanksha Singh）| 维沙尔·米什拉（Vishal Mishra）

印度瓦拉纳西印度理工学院（IIT-BHU）生物化学工程学院

摘要

生物炭是一种富含碳的材料，由可再生生物质（如农业和植物废弃物）经过热化学转化制成。其高导电性、大表面积和低生产成本使其成为各种生物修复和能源生成过程中的理想材料。类似地，金属-有机框架（MOFs）是一种由金属离子和有机基团组成的多孔晶体材料，具有出色的可调孔隙率、催化活性和氧化还原性能，从而拓宽了其应用范围。尽管这两种材料都备受关注，但MOF-生物炭复合材料在微生物燃料电池（MFC）系统中的联合应用尚未得到全面研究。本文总结了基于最新进展的生物炭和MOFs的基本特性，并详细介绍了它们作为MFC电极材料的协同集成效果。文章还探讨了这些复合材料如何通过改善电荷传输、增强生物膜形成和降低内阻等方式提升电化学性能。此外，还提出了优化MOF-生物炭复合材料的未来方向，包括环境可持续性、可扩展性和与循环经济原则的契合度。本综述旨在为下一代高性能MOF-生物炭基电极的发展提供关键见解。

引言

微生物燃料电池（MFC）为两个重要的全球问题提供了新颖且可持续的解决方案：可再生能源生产和环境修复。这些生物电化学装置利用电活性微生物的代谢过程，直接将有机底物的化学能转化为电能[1]。MFC的双重功能使其成为同时处理废水和回收能源的理想选择。由于人们对化石燃料枯竭和环境污染的担忧日益增加，MFC作为一种可行的、分散式且环境可持续的废物转化为能源的方式应运而生。MFC的优势在于它能够在常温条件下运行，并能利用多种有机底物，如城市废水、农业和工业废水[2]。这种适应性使其能够在资源有限和偏远地区得到应用，同时减少传统废水处理系统产生的污泥和温室气体排放。尽管MFC具有巨大潜力，但其商业化仍面临诸多障碍，如发电量较低、内阻较高以及膜、电极和催化剂等组件的成本高昂且不稳定[3]。此外，负责系统内电子传输的微生物群落也不稳定，导致性能随时间波动。为应对这些挑战，材料科学的最新进展激发了使用可持续且经济高效的解决方案来提升MFC性能的兴趣。生物炭是一种从生物质废弃物热解中获得的含碳材料，作为替代电极材料展现了显著潜力[4]。其增加的表面积、优异的导电性和生物相容性促进了微生物附着和生物膜的形成，从而增强了细胞外电子传递和系统稳定性[5]。据报道[6]，使用1克椰壳生物炭产生的最大电压为722毫伏，电流为1.07毫安，表明其在实际应用中的潜力。此外，对不同坚果壳制成的生物炭的研究也显示了出色的电化学性能，提升了MFC的性能[7]。

相应地，金属-有机框架（MOFs）也显示出提升微生物燃料电池性能的潜力。MOFs是晶体材料，由无机金属（金属离子或金属簇）和含有氧、氮等元素的有机配体通过配位键连接而成。它们以其可调孔隙率、大表面积和多功能催化特性而闻名[8]。研究报告[9]指出，Cu-MOF@Fe双金属MOF结构实现了231.2毫瓦/平方米的高功率密度，并通过促进电子传递和提供多个氧化还原活性位点增强了运行稳定性和能量回收率。另一项研究[10]显示，在碳纤维刷上合成的锌基MOF作为酵母基MFC的独特阳极，促进了微生物定植和电子传输，实现了317毫安/平方米的最大电流和73.7毫瓦/平方米的最大功率密度，是裸碳刷阳极的两倍。

将MOFs与生物炭结合，旨在利用MOFs极高的可调孔隙率和化学功能性与生物炭的低成本、机械强度及对微生物友好的多孔碳基质的优点。单独使用MOFs虽然具有大表面积和可定制的活性位点，但导电性较差，在水环境中易碎，且生产成本较高；而生物炭作为导电且稳定的支撑材料可以弥补这些缺点[11]。基于生物炭的电极因其可持续的原料、激活后的高比表面积和良好的生物膜相容性而具有吸引力，为石墨烯或贵金属基方法提供了更可扩展和低碳的替代方案[12]。相比之下，基于石墨烯的电极和金属氧化物催化剂虽然提高了导电性和氧化还原活性，但成本较高，可能存在规模化或环境问题，并且不具备MOFs所具有的可调化学功能[13]。因此，MOF-生物炭复合材料有望提供可调孔隙率/催化位点、导电性/稳定性和可持续性的平衡组合，这是单一的石墨烯或金属氧化物改性无法同时实现的。这种集成是使MFC在经济上更可行的重要一步，因为它在提升能源产出的同时保持了环境可持续性和成本效益。本文旨在填补现有知识空白，为MFC技术的未来研究提供明确方向[14]。通过解决这些关键问题，本文旨在探索提升MFC电化学性能、成本效率和长期运行稳定性的关键策略，从而推动其在可持续废水处理和可再生能源回收中的实际应用。本综述中包含的大部分研究发表于2022年至2025年间，仅添加了少量较早的论文以提供必要的背景信息。据我所知，目前尚无研究全面评估MOF-生物炭的协同集成效果。虽然早期的两篇综述[15]关注了MOF-生物炭复合材料在一般环境和污染控制中的应用，另一篇综述[16]讨论了它们在先进吸附和能量存储中的作用，但这些研究均未涉及其在MFC系统中的潜力或性能。

部分摘录

综述方法

进行了系统的文献调查，以提供关于MFC应用中MOF-生物炭复合材料的全面且无偏见的概述。主要搜索的数据库包括Scopus、Web of Science、ScienceDirect和Google Scholar，重点关注2022年至2025年的出版物，同时纳入了一些早期研究作为基础背景资料。搜索使用了关键词组合，如“MOF-生物炭复合材料”、“生物炭阳极”、“MOF阴极”、“用于MFC的金属-有机框架”等。

微生物燃料电池（MFC）：概述及相关挑战

MFC是一种生物电化学系统，利用产电微生物将有机底物（通常来自废水）中储存的化学能转化为电能，同时实现废水处理[17]。MFC基于微生物代谢与电化学反应的原理运行，在厌氧呼吸框架下，细菌氧化有机物释放电子和质子[18]。

生物炭及其在提升MFC性能中的作用

生物炭是通过在高温（300–900°C）和有限氧气条件下（如热解、烘焙、水热碳化（HTC）和气化）对含碳生物质进行热化学转化而制成的[37]。生物炭具有多种物理、化学和机械性能，这些性能取决于原材料和热解条件[38]。用于生物炭合成的最常见原料主要是农业废弃物。

金属-有机框架（MOFs）及其在提升MFC性能中的作用

MOFs也称为配位聚合物，是一种多孔晶体材料，在各种分析和生物分析应用中受到广泛关注[50]。这些材料由金属离子或其簇以及通过配位键连接的多元有机配体组成，具有高稳定性、形态多样、表面积大、孔隙率高、形状灵活和多功能性等特性[51]。

制备MOF-生物炭复合材料的不同策略

合成过程的选择显著影响MOF-生物炭复合材料的形态和化学性质，从而直接影响其在环境应用中的效果。本综述评估了多种主要制备策略，包括无溶剂球磨、微波辅助合成、水热和溶剂热工艺（表2）。每种方法都有其独特的特点和缺点。为了评估结构完整性、孔隙率分布等参数，

MOF-生物炭复合材料：提升MFC效率

MOF-生物炭复合材料在污染治理（制药、染料、重金属和污染物）、碳封存、能量存储和微生物电化学系统中表现出良好的潜力，具有成本效益、高效率和可持续性能[82]。在MFC中使用MOF-生物炭复合材料可以同时提高电能生产和生物修复效果[83]。生物炭具有生物相容性，

MOF-生物炭复合材料在MFC中的挑战与前景

尽管MOF-生物炭复合材料具有诸多优势，但在实际应用中仍需解决多个挑战。复杂的合成过程（通常涉及昂贵的金属盐、有机配体和有毒溶剂如N,N-二甲基甲酰胺（DMF））阻碍了其商业化。未来的研究应优先解决这些问题。

技术经济分析

生物炭的生产成本因原料、反应器和规模的不同而有很大差异。随机（蒙特卡洛）技术经济分析表明，可能的生产成本范围为448.78–1,846.96美元/毫克（90%置信区间；在90%概率下为571–1,455美元/毫克），其中原料物流和生产速率是主要影响因素[108]。其他技术经济分析（TEA）研究报道的最低可持续价格（MSP）为

环境风险分析

MOF-生物炭复合材料结合了两种材料，每种材料在水或废水环境中都存在不同的环境风险。文献中报道的主要风险包括MOFs中金属离子的浸出、有机连接物的释放或MOFs的降解副产物[128]、生物炭原料中的污染物（重金属、多环芳烃、矿物灰）的迁移或浸出[129]，以及结构完整性的丧失（水解不稳定性）导致的性能下降等。

结论

将MOFs与生物炭结合为下一代MFC的设计提供了变革性机遇。这些复合材料不仅作为导电和催化添加剂，还提供了一个平台，可以在其中统一设计层次化的孔隙率、可调表面化学性质和微生物-电极相互作用。本综述强调了MOF-生物炭复合材料如何将重点从传统电极改进转向多功能性的创造。

CRediT作者贡献声明

阿坎克莎·辛格（Akanksha Singh）：概念构思、数据整理、正式分析、资金获取、方法论、研究实施、资源管理、软件使用、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。维沙尔·米什拉（Vishal Mishra）：概念构思、数据整理、正式分析、资金获取、方法论、研究实施、资源管理、软件使用、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。