北京科技大學Electrochimica Acta：多孔α-Fe2O3納米纖維混合碳納米管修飾陽極提升微生物燃料電池產電性能

微生物燃料電池利用微生物催化氧化有機物的過程中產生電子，具有廢水處理和產生能源的雙重功能，此外，它的產物是二氧化碳和水，不會產生二次污染，且能回收電能。若能利用污水中有機物的5%，便可解決污水處理的成本問題，是助力實現“碳中和及碳達峰”的綠色能源技術。然而，微生物燃料電池產電效率較低，輸出功率密度普遍在幾十到幾百（mW/m²）之間，顯著低于傳統的化學燃料電池。因此，提高微生物燃料電池的輸出功率是推動該技術走向實際應用的重要前提。

陽極作為產電微生物附著及接收電子的重要部位，是影響微生物燃料電池產電性能的重要因素。其中電極與微生物之間界面電子轉移速率及微生物附著量是制約其陽極生物電催化性能的主要因素之一。鑒于α-Fe₂O₃與產電菌外膜細胞色素c的中點電位較為接近，有利于胞外電子傳輸。為此，北京科技大學博士生劉遠峰以PVP/FeCl₃?6H₂O為前驅體，通過靜電紡絲技術及控制煅燒條件制備了多孔性α-Fe₂O₃納米纖維，并與碳納米管混合形成的三維網狀修飾碳布陽極，顯著提升了陽極材料的電化學性能。

圖1通過靜電紡絲及煅燒合成CNTs/α-Fe₂O₃納米纖維的示意圖

α-Fe₂O₃與產電菌外膜細胞色素c的中點電位較為接近，有利于胞外電子傳輸，此外，制備的CNTs/α-Fe₂O₃納米纖維同樣提升了碳布表面的粗糙度，增加了產電微生物的附著量，進而提升了MFC的產電性能。

圖2 (a)靜電紡制備的PVP/Fe³⁺納米纖維和(b)多孔α-Fe₂O₃納米纖維的微觀形貌圖像; (c)不同升溫速率下α-Fe₂O₃的XRD譜圖；(d)含孔徑分布的α-Fe₂O₃?納米纖維的氮吸附和脫附等溫線;(e) α-Fe₂O₃?NF的TEM圖像和(f) 高分辨率?TEM圖像。

這種自組裝形成的三維網狀CNTs/α-Fe₂O₃納米纖維材料修飾到碳布表面作為MFC陽極，產生的最大輸出功率密度為1952 mW/m2,顯著高于碳布陽極MFC，且輸出電壓周期穩定，表明了制備的CNTs/α-Fe₂O₃納米纖維陽極的穩定性。

圖3 ?(a) 輸出電壓；(b)功率密度曲線和極化曲線

總之，制備的多孔性α-Fe₂O₃納米纖維與碳納米管混合后，自組裝形成三維網狀結構，顯著提升了陽極的性能。多孔性α-Fe₂O₃納米纖維材料能夠調控產電菌外膜細胞色素c與碳布之間電子傳輸的勢壘，減小了電子傳遞所消耗的能量，進而提升MFC的產電性能。

該論文第一作者為二年級博士生劉遠峰，主要研究方向為微生物燃料電池的設計與制備，師從李從舉教授，讀博期間已發表SCI及EI檢索論文6篇。

Yuanfeng Liu, Xiuling Zhang *, Huiyu Li, Lichong Peng, Yue Qin, Xiaoqiu Lin, Linshan Zheng, Congju Li *. Porous α-Fe₂O₃?Nanofiber Combined with Carbon Nanotube as Anode to Enhance the Bioelectricity Generation for Microbial Fuel Cell. Electrochimica Acta. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.138984

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