微生物燃料电池是污水处理、环境修复中的重要绿色技术，其核心组成部分电活性微生物膜（EAB）电极是决定电极催化性能的关键，而电极结构对EAB催化活性起着重要影响。亚微米纤维结构阳极在促进EAB催化活性上具有显著功效，但因对纤维电极网孔结构调控较难实现，其网孔结构对生物膜生长和MFC性能的影响尚未彻底阐明。

近期，西南大学鲁志松教授、乔琰副教授团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Microstructuring Conductive Electrospun Mats for Enhanced Electro-active Biofilm Growth and High-Performance Bioelectrocatalysis”的研究成果。该工作以低温界面聚合方式利用聚吡咯对静电纺丝聚丙烯腈纤维膜进行改性，制备了高导电性、多孔柔性自支撑纤维电极。通过调整纤维直径，优化静电纺丝纤维膜的多孔结构，探究了适应电活性微生物腐败希瓦氏菌CN32生长的最优孔径范围。研究发现当孔径处于2-10 μm间时，EAB载量较高且在纤维膜中均匀分布，既不会在纤维膜表面堆积形成厚且致密的生物被膜降低界面电子传递效率，也不会因孔隙太大而难以驻留在纤维网络中（图1），因而呈现出较优异的微生物燃料电池产电性能。

 图1 不同直径纤维膜电极用作MFC阳极时的性能测试及电极上EAB形貌表征

为了进一步扩大纤维膜的层间距，该工作开发了一种摩擦起电膨胀技术。在PAN电纺纤维膜中创建稳定的层状结构，其原理是使用铝箔对纤维进行反复摩擦后纤维膜积累大量负电荷。由于同种电荷相斥原理，纤维之间相互排斥使层间距增加，小孔径膜厚度增加最大可达10倍。（图2）

 图2 摩擦膨胀技术制备纤维膜电极示意图及纤维膜截面微观形貌

膨胀的纤维膜在聚吡咯改性过程中亦能维持较大的层间距，增大的纤维孔隙令更多地电活性微生物进入纤维膜内部，同时促进了有机底物的有效扩散和细胞外介质的快速运输，使得小孔径的纤维膜电极经膨胀可以容纳更多的EAB，从而提高生物电催化活性，提升产电性能和污染物降解能力（图3）。

图3 膨胀的纤维膜电极用作MFC阳极时的性能测试及电极上EAB形貌

综上所述，本研究开发了高导电性PPy改性PAN静电纺丝膜作为MFCs的阳极材料，探讨纤维多孔结构对EAB形成和生物电催化性能的影响。在改变纤维直径以调控孔径的大小的同时采用一种基于摩擦静电效应的膨胀技术制备层状结构电极，增强电活性微生物在纤维膜电极内部的扩散，促进其高容量负载和均匀分布，从而获得优越的生物电催化性能。这项工作可能为设计MFC的微纤维基电极提供有益的指导和见解。

西南大学硕士研究生李敏为本文的第一作者，西南大学鲁志松教授、乔琰副教授为共同通信作者。

课题组简介：

鲁志松，西南大学材料与能源学院博士，教授，博士生导师，洁净能源与先进材料研究院副院长，主动健康监测材料与技术中—新联合研究中心主任，重庆高等学校青年骨干教师，重庆海外引进高层次人才。致力于纤维材料与器件、智能纤维/智能织物研究。在国际期刊发表论文170余篇，授权发明专利12项，主持包括包括973项目子课题、国家重点研发专项子课题在内的科研项目10余项，国际会议邀请报告30余次。获重庆市自然科学二等奖、重庆新材料研发创新英才、重庆市产学研创新成果奖一等奖，西南大学第二届“我心中的好导师”等荣誉。任期刊Materials Reports：Energy副主编，International Journal of Molecular Sciences编委，Advanced Fiber Materials青年编委。中国材料学会纤维改性与复合技术分会常务理事，重庆高校交叉学科教指委委员，重庆产学研合作促进会常务理事。

乔琰，西南大学材料与能源学院副教授，长期致力于多孔纳米材料合成以及微生物电极界面电子传递机理研究，近年来主要关注纤维基自支撑电极材料制备以及智能织物电子器件、可穿戴生物电池的研发。在国际期刊发表论文70余篇，论文他引次数>4300次，H指数34，授权发明专利6项，主持国家自然基金、重庆市自然基金等科研项目7项。获重庆市产学研创新成果奖一等奖，西南大学优秀教师。

原文信息：

Min Li, Hao Lu, Jiadong Hu, Xuemei Xiang, Yanling Zheng, Wenhu Gao, Wei Sun, Wei Wang, Zhisong Lu* and Yan Qiao*. Microstructuring Conductive Electrospun Mats for Enhanced Electro-active Biofilm Growth and High-Performance Bioelectrocatalysis. Adv. Fiber Mater., 2023.