微生物燃料电池（MFCs）凭借其将有机物直接转化为电能的优势，在废水资源化与分布式产能领域潜力巨大。然而，微生物—电极界面的胞外电子传递（EET）效率仍是性能瓶颈，电极材料的导电性与生物相容性如何协同调控、进而提升 EET 效率，尚缺乏系统认识。因此，设计兼顾高导电与高生物相容的电极材料，对高性能 MFC 具有重要意义。基于此，本文，江南大学Shengli Zhai联合悉尼大学 Li Wei、Fei Liu 团队在《Advanced Energy and Sustainability Research》期刊发表名为”Engineering Hierarchical Graphene Hydrogels for Microbial Fuel Cells”的论文，研究提出了一种通过水热合成条件调控分级石墨烯水凝胶（GHs）导电性与生物相容性的策略。该石墨烯水凝胶通过调控氧化石墨烯（GO）水热还原的温度与时间制备，形成互连的三维网络结构，并作为 MFC 生物阳极使用。
此外，研究发现不同水热条件下制备的 GHs 其导电性与生物相容性呈相反的变化趋势，二者之间的权衡（trade-off）协同决定了微生物附着、界面电子传递与最终的 MFC 性能。经系统表征与电化学测试，最优合成温度 180 °C 制备的 GHs 在导电性与生物相容性之间取得平衡，使 MFC 最大功率密度达到 137.67 W m⁻³。同时，该分级水凝胶还具备利于微生物附着的多孔三维架构与连续电子通路，使其适用于废水资源化等生物电化学应用。本研究提出了一种基于水热合成调控的 GH 生物阳极设计策略，该策略揭示了材料导电性与生物相容性的权衡关系，显著提升了 EET 效率，并为生物电化学系统用材料的设计与优化提供了新的思路。
图4、MFC performance of different GH anodes. (a) Schematic illustration of the MFC power-generation mechanism, (b) polarization curves and corresponding volumetric power densities, (c) output voltage during 600 h operation, and (d) EIS Nyquist plots of the five GH anodes.
本研究采用了一种基于水热合成条件调控的策略，基于导电性与生物相容性权衡调控 EET 效率的机理。最终，制备出分级石墨烯水凝胶（GH）生物阳极。研究结果表明，最优合成温度 180 °C 的 GHs 在导电性与生物相容性之间取得平衡，使微生物燃料电池最大功率密度达到 137.67 W m⁻³。同时，分级多孔三维架构有利于微生物附着与界面电子传递。该材料表现出良好的生物电化学性能。因此，本研究有望为生物电化学系统电极材料的设计与优化提供新的见解。此外，其简单、可调控的一步水热制备路线拓展了在废水资源化与分布式生物产能中的应用前景。
文献：https://doi.org/10.1002/aesr.70282
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