导语
微生物燃料电池在将废弃物转化为电能方面潜力巨大，但其功率输出长期受限于微生物与电极之间低效的电子转移过程。哈尔滨工业大学刘绍琴教授、邱云峰教授及东北林业大学王睿文副教授团队在《Small》上发表研究，通过 “熵工程”策略 与 闪蒸焦耳加热技术（FJH） 取得突破。研究采用瞬时超高温（约6000 K）在2秒内，将五元高熵氧化物纳米颗粒原位锚定于垂直排列的Fe,N-掺杂碳纳米管上，构建了新型复合生物阳极。该材料独特的电子结构与丰富的界面特性，大幅促进了电极与微生物的“对话”，使微生物燃料电池实现了 3.76 W m⁻² 的创纪录功率密度，较同类高熵氧化物阳极提升 9.6% ，并具有 91.52% 的高有机物去除率。这项工作为设计下一代高效生物能源转换界面提供了全新范式。
研究要点
性能纪录：基于该复合阳极的微生物燃料电池，功率密度达到 3.76 W m⁻²，创造了同类体系的新纪录。
合成革新：采用 闪蒸焦耳加热（150 V），在 约2秒 内完成约6000 K的瞬时热处理，高效合成并均匀分散高熵氧化物纳米颗粒。
机制深入：结合实验与理论计算，系统阐明“熵工程”通过调控电子结构，增强细胞色素吸附、缩短电子隧穿距离至 2.47 Å ，并定向富集产电菌至 71% 的作用机制。
综合优势：阳极兼具高导电性、高赝电容（89.42 mF cm⁻²）与低电荷转移阻抗（9.8 Ω），协同提升了电子收集与传递效率。
图文解读
图1：复合材料的形貌与结构表征
扫描和透射电镜图像显示，通过闪蒸焦耳加热技术，五种金属元素（Fe、Co、Ni、Cr、Mn）构成的尖晶石结构高熵氧化物纳米颗粒，被均匀且牢固地锚定在垂直排列的碳纳米管表面。X射线衍射、拉曼光谱及元素分析共同证实了高熵氧化物相的成功形成，其构型熵达到1.608R，符合高熵材料定义。
图2：材料的表面化学状态分析
X射线光电子能谱分析揭示了材料表面的多价态金属离子与丰富的氧空位。高熵氧化物中高价态金属（如Cr⁶⁺、Mn⁴⁺）的存在，其氧化还原电位与细菌细胞色素相匹配，有利于捕获生物电子。同时，碳纳米管中的氮掺杂（石墨氮、吡咯氮）进一步增强了电极与微生物生物膜之间的电子耦合。
图3：电化学性能评估
循环伏安与微分脉冲伏安测试中，复合电极在特定电位下出现了与细胞色素氧化还原反应相关的显著电流峰，表明其具备优异的生物电子捕获能力。电化学阻抗谱显示该电极的电荷转移电阻最低，离子扩散系数最高，证实了其快速的界面电荷传输动力学。电极的高面积电容体现了高熵氧化物的赝电容特性与碳纳米管双电层电容的协同作用。
图4：微生物燃料电池性能
在长期运行测试中，采用该复合阳极的微生物燃料电池获得了最高且稳定的输出电压，其最大功率密度达到3.76 W m⁻²。同时，电池表现出优异的化学需氧量去除率和库伦效率，表明其在高效产电的同时，也具备高效的废水处理能力。电化学分析进一步证实了直接和间接电子转移途径的协同作用。
图5：微生物群落分析与性能对比
对电极表面生物膜的微生物群落分析显示，该复合阳极表面特异性富集了高丰度（71%）的Geobacter属产电菌。雷达图对比表明，高熵氧化物阳极在电荷转移电阻、电容、输出电压及功率密度等关键性能指标上全面优于传统铁基氧化物阳极，凸显了“熵工程”设计的整体优势。
图6：电子转移过程的DFT计算
密度泛函理论计算从原子层面提供了机制解释。计算表明，高熵氧化物表面对细胞色素类似物具有更强的吸附能力（吸附能ΔEads = -3.20 eV）。态密度分析显示，高熵氧化物在费米能级附近的电子态密度更高且更连续，形成了一个低阻抗的电子注入通道，从而显著促进了从微生物到电极的电子隧穿（距离缩短至2.47 Å）。
图7：熵工程增强电子传递机制示意图
该示意图系统总结了“熵工程”在多个尺度上提升性能的机制：在界面尺度，增强细胞色素吸附并缩短隧穿距离；在电子尺度，拓宽的电子态和氧空位促进电子提取与存储；在菌群尺度，选择性压力促进产电菌Geobacter的富集与电子介体的分泌，从而实现高效的直接与间接电子转移双通路。
总结与展望
本研究成功将“熵工程”理念引入生物电催化界面设计，并借助闪蒸焦耳加热这一超快合成技术，创制了高性能的高熵氧化物复合生物阳极。该工作不仅实现了微生物燃料电池功率密度的突破性提升，更重要的是，通过多尺度表征与理论模拟，清晰揭示了构型熵调控如何优化电子能带结构、强化界面相互作用并引导有益微生物群落，从而系统提升电子传递效率。这为理性设计面向能源回收与环境修复的下一代生物电化学系统，提供了一个强有力的材料平台与设计范式。未来，探索该策略在不同电活性微生物体系中的普适性，以及其在规模化连续流反应器中的长期运行稳定性，将是推进其实际应用的关键。
文献信息
Zheng Zhang, Yunfeng Qiu, Yuhang Wang, Miao Yu, Zhuo Ma, Ruiwen Wang, Shaoqin Liu*. Entropy‐Engineered HEO/Fe, N‐CNT Bioanode via Flash Joule Heating: Accelerated Electron Harvesting and Directed Geobacter Enrichment for High‐Power Microbial Fuel Cells. Small 2025.
https://doi.org/10.1002/smll.202511164
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