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碳纤维材料是一种由碳原子组成，含碳量在95%以上，直径在微米范围内的长细丝状的新型材料。从晶体结构上看，由于该材料晶面几乎沿纤维轴向平行排列，因此比其他材料更坚固，并且质量轻于铝，强度高于钢铁，既有碳材料固有的本性特征，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。碳纤维材料作为一种具有高硬度、高强度、重量轻、高耐化学性、耐高温特性的新一代增强纤维，被广泛应用于国防、航空航天、医疗保健和建筑等众多行业。具有独特优势碳纤维也广泛应用于生物电化学领域，是生物电化学中的尖子生，佼佼者。
近期，南开大学李凤祥教授团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Carbon Fibers for Bioelectrochemical: Precursors, Bioelectrochemical System, and Biosensors”的研究进展，系统阐述了碳纤维材料在生物电化学中的应用及未来发展趋势。系统总结了以前驱体为基础，聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维及木质素基碳纤维的制备工艺以及优缺点，详细介绍了碳纤维在生物电化学系统及生物传感器中的具体应用，最后对碳纤维材料的应用面临的挑战及未来发展方向进行分析。
图1 聚丙烯腈(a)、沥青(b)和木质素(c)三种前驱体制备碳纤维的工艺流程示意图
文章首先介绍了碳纤维是由前驱体通过稳定化和碳化两个阶段的热处理制造的。早年，被用作碳纤维前体的是人造纤维，由于性能不佳开始使用聚丙烯腈、沥青和木质素等作为前体材料，大大改善了纤维的机械性能（图1）。占市场份额90%以上的聚丙烯腈原丝在生产商用碳纤维的过程中非常具有竞争力，制造过程包括三个阶段：聚合物前驱体的合成、纤维纺丝及热处理。热处理过程的两个步骤：（1）在空气环境中热稳定化；（2）在氮气/氩气环境中高温碳化。聚丙烯腈基碳纤维及其复合材料具有优异的性能，应用前景广阔。沥青较大的石墨微晶尺寸能够产生超高模量的碳纤维，且组成成分中占比最高的多环芳烃会提高碳纤维的质量，纤维产率可达到85%，生产成本较低，是一种优异的前体材料。木质素是一种具有碳纤维高生产力的可再生资源，具有独特的生物降解性、高热稳定性和抗氧化的性质。木质素作为前驱体可具备以下优点：（1）生产率高；（2）耗能少；（3）毒性小；（4）不依赖于化石能源。木质素对比其他前驱体，成本更低，且可再生，同时被氧化和热稳定化的速率更快。前体的质量决定碳纤维的性能，在制备条件充分的情况下，碳纤维具有许多其他材料无法超越的优异性能，已形成重要的新材料体系，在多个领域得到应用。
图2 碳纤维材料用于微生物燃料电池(MFC)阳极
碳纤维较大的比表面积和孔隙率，更高的导电性使其成为微生物燃料电池（MFC）电极材料的最佳选择之一，但其高成本和化学不稳定性降低了电极的长期稳定性，导致输出功率较低。碳纳米管、石墨烯和金属及其氧化物的纳米复合材料等均可作为MFC电极的改性材料，在输出的功率密度上比未改性的电极均表现出明显的优势，显著提高了MFC的性能（图2）。
图3 碳纤维材料用于微生物电解池(MEC)
图3主要讨论了碳纤维材料在微生物电解池（MEC）中的应用。碳纤维材料由于易生产，具有良好的导电性等优势是MEC最早且至今仍在使用的电极类型。实验室规模的碳纤维包括碳布、碳纸、碳毡及碳刷等，而常规材料自身的缺点使其应用受限，而一些改性材料如石墨烯、金属、碳纳米管等的出现改善了MEC的性能，为MEC的应用带来更多的可能性。
图4 碳纤维材料用于微生物脱盐燃料电池(MDC)
图5 碳纤维材料用于微生物电合成(MES)
图6 碳纤维材料用于燃料电池质子交换膜(PEMFCs)
碳纤维在微生物脱盐燃料电池（MDC）（图4）、微生物电合成（MES）（图5）和燃料电池质子交换膜（PEMFCs）（图6）中的应用也受到材料本身特点的局限，电极材料的选择与优化对电子转移过程至关重要。具有不同形貌和结构的碳纤维材料具有与微生物相互作用的生理活性，应用于阳极的碳纤维材料可显著促进界面微生物的定植，加速细胞外生物膜的形成，提高电功率密度；应用于阴极的碳纤维材料可作为氧化还原反应的催化剂，表现出良好的活性和效率。
图7 碳纤维材料用于酶传感器和DNA传感器
图8 碳纤维材料用于免疫生物传感器
图9 碳纤维材料用于植入式生物传感器
碳纤维材料由于良好的电子传导能力及较大的吸附表面积普遍用于酶传感器的电极材料。当分析复杂样本时，为避免电极污染问题，可对电极进行修饰，加快电子传递速率，提高灵敏度。DNA传感器利用固定在电极上的DNA探针捕获待测物质并转换为信号显示在计算机上。碳纤维的存在不仅可加速界面处的电子转移速率，还可作为生物分子与电极的导体，为其在食品、医药、环境监测等领域的应用提供更多可能性（图7）。
免疫生物传感器是利用抗原对抗体的识别功能制成的一种传感器。碳纤维材料的大比表面积可固定多种抗体-抗原蛋白，其与检测环境中的物质结合，形成免疫复合物，经过信息放大后可直接得到被测物质的浓度，广泛应用于检测病毒、细菌、蛋白质和寄生虫（图8）。
图9介绍了碳纤维应用于植入式生物传感器的微电极。碳纤维良好的生物相容性、简单的制造工艺及低成本，更有利于制造植入式器件，适合实际应用，在监测人体生理指标和细胞活性成分中应用广泛。
综上所述，总结了碳纤维材料的制备工艺及在生物电化学系统和生物传感器领域的应用。由于其自身特点，可定制碳纤维的结构、形态和孔隙率，使得改性后的碳纤维更有针对性的与细菌结合，减少培养时间，缩短实验周期。碳纤维材料的表面功能化是其打开应用市场的一大优势，鼓励科研工作者在碳纤维材料改性领域开展更深入的研究，使碳纤维材料在生物电化学领域取得更长远的发展。
碳纤维信息网
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