在追求可持续能源的今天，微生物燃料电池（MFCs）作为一种将有机物质直接转化为电能的装置，受到了广泛关注。然而，传统MFCs的功率密度受限于生物膜的厚度和电子传递效率，这限制了它们在实际应用中的性能。

2021年，段镶锋和黄昱领导的研究团队在《科学》(Science 2021, doi: 10.1126/science.abf3427)上面发表文章，设计的MFCs实现了功率密度为0.66 mW cm^-2，是当时最好的记录。

近日，由段镶锋和黄昱领导的研究团队在这一领域再次取得了突破性进展，他们开发了一种新型的微生物流动燃料电池（MFFCs），通过利用人工电子介体在流动介质中高效传递细菌代谢电子，显著提高了功率密度。

传统MFCs依赖于生物膜来产生代谢电子，但生物膜的增厚会带来质量和电子传递的挑战。为了克服这些限制，研究者们一直在探索提高电子传递效率和改善质量传递的方法。段镶锋和黄昱教授的研究团队通过创新的设计，成功地打破了这些限制。

MFFCs的设计理念是利用人工电子介体在流动介质中转移细菌的代谢电子，从而有效克服了质量和电子传递的限制。这种设计不仅减少了生物膜的内部阻力，还显著提高了整体的功率输出。与传统MFCs相比，MFFCs实现了功率密度的大幅提升，达到了前所未有的水平。

在MFFCs中，人工电子介体起着至关重要的作用。它们能够高效地从悬浮细菌中提取代谢电子，并将其传递给多孔碳电极。这一过程中，电子介体的浓度比细菌粒子高出数个数量级，确保了高效的电荷转移。

研究团队通过实验验证了MFFCs的概念，并评估了其性能。实验结果表明，MFFCs在没有生物膜形成过程的情况下，能够实现稳定的最大功率密度，大约为0.19 mW cm^-2。此外，通过引入人工电子介体，MFFCs的输出功率密度得到了显著提升，最高可达17.6 mW cm^-2，这是传统MFCs的50倍以上。

为了评估MFFCs中电子介体的稳定性，研究团队进行了长时间的稳定性测试。结果显示，使用2,7-AQDS或FMN-Na作为电子介体的MFFCs在恒定电流下能够稳定运行约40小时，并且具有较高的库仑效率和周转数，证明了电子介体在MFFCs中的可逆性和稳定性。

这项突破性的研究成果为微生物燃料电池的应用开辟了新的道路。然而，为了实现实际应用，仍需要解决一些挑战，包括提高阴极设计、处理实际废水中的固体颗粒、适应低有机物浓度和多样性以及防止生物膜在电极上的形成等问题。

段镶锋和黄昱教授的这项研究不仅展示了MFFCs在提高功率密度方面的潜力，也为未来的生物电化学技术提供了新的思路。随着进一步的研究和优化，MFFCs有望在废水处理、能源回收和生物电化学技术领域发挥重要作用。

High power density redox-mediated Shewanella microbial flow fuel cells. https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2024-fdn3n