近日，能源与环境科学学院生物质高效炼制与环境工程团队李建昌教授课题组博士生刘洪周在微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）相关研究领域取得重要进展。研究针对MFC因输出功率较低而难以实际应用的关键瓶颈展开，基于MFC和微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell, MEC）的基本原理，建立了MFC-MEC仿真模型，在电场、电化学反应和液相传质（Liquid-Phase Mass Transfer, LPMT）通量之间建立了联系，深入研究电场对液相传质的驱动机制，及其对离子通量和反应速率的优化作用。MFC-MEC的电场强度较单一MFC提升了40%以上，显著促进了LPMT过程，揭示了电迁移是离子传输的主要贡献因素，在MFC-MEC中占LPMT总通量的50%以上。此外，研究还证实了LPMT与反应速率、内阻之间的协同效应，为理解MFC-MEC耦合机制提供了新视角。本研究阐明了电场强化LPMT的作用机制，为MFC技术的发展提供了一条潜在途径，支持其在可再生能源解决方案中的应用。
LPMT模型与协同增强机制
该研究成果分别于6月7日和9日以（微电场增强微生物燃料电池液相传质以提高功率输出：一项实验和多物理场仿真研究）“Microelectric field enhances microbial fuel cell liquid-phase mass transfer to increase power output: An experimental and multi-physics field simulation study”和（微生物燃料电池耦合微生物电解池增强液相传质的多物理场仿真分析）“Multiphysics simulation analysis of microbial fuel cell coupling microbial electrolysis cell to enhance liquid-phase mass transfer”为题，发表在国际知名期刊《Renewable Energy》（IF=9.1）、《Journal of Power Sources》（IF=7.9）在线发表上。
另外，该课题组以MFC内部电场为突破口，在MFC和MEC之间构建了一个共享阳极（SA-MFC-MEC）和阴极（SC-MFC-MEC）配置的系统，首次通过MFC与MEC耦合强化MFC内部电场，建立了MFC-MEC耦合提高MFC输出功率的新方法，有效提高了MFC阳极生物膜的电化学活性，在阳极形成更多的电化学活性位点和更厚的生物膜结构，提高其功率密度2倍以上，并实现了电能和甲烷的高效协同生产。SA-MFC-MEC 系统表现出最佳性能，最大功率密度为 120.9 mW/m2，胞外电子转移（Extracellular Electron Transfer, EET）速率常数为1.9×10−5cm/s，分别是对照R-MFC的2.17倍和2.4倍。同时，该课题组针对EET效率低的问题，以MFC阳极/生物膜界面为研究对象，提出外源电场作为EET生化驱动因子的假设，利用MEC在有机废物处理和能源回收方面的双重优势，开发了一种同向（SD-MFC-MEC）和反向（RD-MFC-MEC）的MFC-MEC 系统。通过电化学方法对电场环境中MFC阳极/生物膜界面的EET动力学速率进行了定量评估，考察了外源电场强化EET的作用机制。揭示了外源电场诱导的生物膜内电化学活性位点的形成是提高EET速率的关键因素，其EET速率常数较单一MFC提高了2倍以上，并基于扫描电化学显微镜技术，建立了一种原位定量评估阳极/生物膜界面EET速率的新方法。
研究成果分别以“通过共享电极 MFC-MEC 耦合提高 MFC 输出功率的新策略”（A new strategy for improving MFC power output by shared electrode MFC–MEC coupling）和“外源电场作为细胞外电子转移的生化驱动因子：提高微生物燃料电池的功率输出”（Exogenous electric field as a biochemical driving factor for extracellular electron transfer: Increasing power output of microbial fuel cell）为题，分别发表在国际知名能源期刊《Applied Energy》（IF=11.0）和《Energy Conversion and Management》（IF=10.9）上。
上述取得的系列研究成果得到了审稿人的高度评价，审稿人认为“作者对在该领域作出了重大贡献”。上述4篇论文第一作者学院均为学院2023级博士研究生刘洪周，通讯作者为李建昌教授。研究工作得到了国家自然科学基金项目（22469025，21968038）和云南省重大科技专项项目（202302AE090009）的资助。
（生物质高效炼制与环境工程团队 2023级博士研究生 刘洪周 供稿）
