在人类文明发展史上,水泥一直被视为无生命的结构材料,仅用于建筑与土木工程的承载。然而,随着能源需求的不断升级和可持续发展的迫切需求,科学家们开始重新审视水泥材料的潜力,尝试将其转化为具有能量储存功能的"活性"材料。最近,丹麦奥尔胡斯大学等科研团队突破性地开发出一种名为生物活性微生物水泥超级电容器(Microbial Cement Supercapacitor,简称MCS)的创新技术,实现了将电活性微生物融入水泥基体内,打造出能够高效充放电且可再激活的能源储存系统。这项技术不仅为传统水泥赋予了全新的功能,还为智能基础设施的未来发展提供了崭新思路。传统水泥超级电容器虽然具备一定的储能能力,但其储能机制主要依赖于电化学中的电双层电容(EDLC),能量密度和功率密度均有限,且循环稳定性不足。相比之下,MCS通过植入电活性微生物,如浅海芽孢杆菌Shewanella oneidensis MR-1,利用其独特的细胞外电子传递(Extracellular Electron Transfer, EET)能力,实现了电化学过程中的动态氧化还原反应,极大提升储能效率。
这个微生物不仅能在水泥的多孔基体中形成稳定的生物膜和导电纳米纤维,还能通过代谢活动持续传导电子,使传统惰性的水泥变身为"活体"超级电容器。实验数据显示,MCS可实现高达178.7瓦时每千克的能量密度和8.3千瓦每千克的功率密度,显著超越了传统水泥基超级电容器,且在1.2%微生物含量下性能表现最佳。更令人振奋的是,该系统在1万次充放电循环后仍能保持85%的电容,显示出卓越的耐久性。水泥基体中生物膜与水泥水化产物共同作用,在微观结构上形成了一个既坚固又具备高导电性的复合网络。此外,通过微流控技术内嵌营养液输送管路,MCS可定期补充微生物所需营养,实现细胞活性的持续激活。这种再激活策略使得系统恢复率高达80%,有效延长使用寿命,具备真正意义上的自我修复和循环使用能力,这在诸多传统储能装置中难以企及。
微生物对环境温度极为敏感,其最佳代谢温度通常为30°C至37°C之间,低温状态下活性下降,但MCS系统依然能在零下环境维持一定的电化学性能。这主要得益于死去微生物所遗留的外膜细胞色素和导电纤维仍保有导电功能,再加上微生物生长期分泌的红氧活性分子(如黄素和醌类化合物),在微观层面持续介导电子传递,这保证了系统在恶劣条件下的基本能量转换能力。此外,研究中观察到微生物诱导的碳酸钙沉淀现象(Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation, MICP),通过微生物的代谢调节局部pH和释放二氧化碳,促进了多种碳酸钙晶体结构的形成。这一过程不仅改善了水泥微结构,从而增强机械强度,还可能为导电网络的构建提供了额外的支撑,有利于电化学性能的稳固提升。MCS的电化学性能受微生物浓度、水胶比、养护环境等多重因素调控。合理的微生物掺量避免了因聚集而产生的传导阻碍,同时优化的水胶比通过构建互连的孔隙结构促进离子传导效率,保证了电极材料的高效利用。
不同的养护条件则影响微生物的存活和活跃度,从而间接决定储能系统的整体表现。MCS的出现为未来建筑材料的多功能化带来了新的方向,推动基础设施从单一结构承载向智能自供能系统转变。传统电池和超级电容器依赖于稀缺金属资源且存在生命周期限制,而基于微生物的水泥超级电容器不仅材料成本低廉,制造工艺兼容现有建筑施工,还有望实现长周期的自我维护和性能恢复,这一特性在大规模储能和分布式能源管理中具有极大应用潜力。未来的研究将聚焦于提升微生物在高碱性和复杂环境下的存活率,利用基因工程优化电活性菌株的电子传递效率,开发更智能的营养输送系统,以及提升水泥复合材料的离子导电率。同时,评价其在不同实际环境中,如极端气候、污染环境的适应性与稳定性,也将是实现商业化应用的关键环节。还需深入探讨微生物群落动态变化对储能性能的长期影响,建立模型预测其使用寿命与维护周期。
整体来看,生物活性微生物水泥超级电容器代表了一种全新的跨学科融合技术,实现了生物学、电化学与建筑材料科学的有机结合。在全球能源转型和碳中和的大背景下,其创新的理念和技术优势为构建智能、绿色、可持续的未来城市基础设施奠定基础。伴随着技术的成熟和应用规模的扩大,MCS有望成为智能建筑、环境监测、分布式能源管理及应急电源等领域的核心组成部分,推动城市和工业系统向更高效、环保的方向发展。 。
