北京科技大學Journal of Power Sources：構建MOFs裝飾的多級孔碳納米纖維實現微生物燃料電池ORR高效催化

微生物燃料電池（MFC）能通過微生物將廢水和其他有機廢物中的化學能轉化為電能，為同時解決能源危機和水污染問題提供了可能的解決方案。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MFC陰極反應通常慢于陽極，堆積的電子極大程度限制了燃料電池的能量轉換效率和產電性能。因此，在MFC陰極添加高活性和耐久性的電催化劑用于加速陰極氧還原反應(ORR)是非常必要的。

金屬有機框架材料（MOFs）指過渡金屬離子與有機配體通過自組裝形成的具有周期性網絡結構的晶體多孔材料。由MOFs衍生的碳納米材料，特別是雜原子摻雜的MOFs，具有高表面積，高化學穩定性和可調節的結構，顯示出了電催化反應的前景。然而在高碳化溫度下，MOFs通常容易坍塌并聚集，導致孔隙結構被破壞，比表面積減少，這大大降低了其電化學性能。為了克服這些缺點，可以將MOFs納米顆粒巧妙地均勻負載在三維材料上。

北京科技大學博士生李惠雨通過原位生長的方法將摻雜Fe的MOFs顆粒負載于生物質材料細菌纖維素納米纖維的表面，經高溫煅燒成功制備出具有分層多孔結構和豐富的Fe-N_x位點的ORR催化劑（Fe-NC@CBC），并成功應用于MFC陰極，獲得高庫倫效率。

圖1 Fe-NC@CBC的合成示意圖

具有三維交織網狀的細菌纖維素表面含有大量羥基，能夠作為錨定金屬離子的支架，從而在后續原位生長的過程中均勻分散MOF顆粒，避免了團聚和遷移，確保了應用過程中ORR的持續有效發生。同時由于細菌纖維素納米纖維本身的大孔結構，Fe在ZIF前驅體中獨特的中孔形成作用以及Zn揮發留下部分微孔，制備出的催化劑具有獨特的混合分層多孔結構。

圖2 (a)納米纖維表面生長摻Fe的ZIF顆粒和(b)高溫碳化后Fe-NC@CBC的微觀形貌圖像; (c-e) Fe-NC@CBC 的TEM圖像和元素映射圖; (f)未生長ZIF，未摻雜Fe以及Fe-NC@CBC的XRD譜圖；(g)含孔徑分布的Fe-NC@CBC的氮吸附和脫附等溫線。

使用Fe-NC@CBC作為催化劑的MFC能夠產生的最大輸出功率和庫倫效率分別可以達到640.56mW/m²和23.6%，性能明顯優于使用商用20 wt% Pt/C催化劑的MFC對照組。表明使用Fe-NC@CBC陰極的MFC具有更高效的廢水處理和產電能力。

圖3 安裝不同陰極催化劑的MFC的（a）循環伏安曲線；（b）EIS的奈奎斯特圖（內嵌：等效電路模型）；（c）極化曲線；（d）對MFC進出水中COD的影響和庫倫效率。

總之，這項工作成功在細菌纖維素納米纖維表面修飾Fe基MOFs 顆粒，并首次將其應用于微生物燃料電池陰極。這項工作可以為合成低成本、環保、高效的適用于 MFC 的陰極催化劑提供新的視角。

該論文第一作者為二年級博士生李惠雨，主要研究方向為納米纖維、MOFs材料與微生物燃料電池應用，師從李從舉教授，讀博期間已發表SCI論文2篇。

Huiyu Li, Xiuling Zhang, Yue Qin, Yuanfeng Liu, Jiaona Wang*, Lichong Peng, Congju Li*. Crafting controllable Fe-based hierarchically organic-frameworks from bacterial cellulose nanofibers for efficient electrocatalysts in microbial fuel cells, Journal of Power Sources, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230522.

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