氮摻雜碳納米纖維錨定鐵納米顆粒作為生物相容陽極促進微生物燃料電池胞外電子轉移

材料人編輯小單 1年前 (2022-07-26) 1158瀏覽

研究背景

微生物燃料電池（MFCs）可利用產電微生物作為催化劑將有機物中的化學能轉化為電能，具有處理污水及產生能源的雙重優點。然而，其較低的產電功率限制了MFCs的大規模應用。陽極作為電子傳輸的媒介及產電微生物的附著場所，是限制MFCs性能提升的瓶頸之一。目前，大部分商業化碳基材料作為陽極時，表現出生物膜形成時間長，產電微生物含量低，胞外電子轉移速率緩慢等一系列問題，因此開發高效的陽極材料以改善陽極的界面性能具有重要意義。

文章簡介

基于此，北京科技大學李從舉教授的博士生劉遠峰在國際知名能源期刊Journal of Power Sources上發表題為“Nitrogen-doped carbon nanofibers anchoring Fe nanoparticles as biocompatible anode for boosting extracellular electron transfer in microbial fuel cells”的研究性文章。該文章基于電紡納米纖維連通、大比表面積、多孔且柔性支撐的特性，研究了利用靜電紡絲技術制備的氮摻雜碳納米纖維錨定鐵納米顆粒材料對于MFC陽極性能的影響。發現當鐵與氮的摩爾質量比為3時 (Fe/N-3@CNFs)，制備的碳納米纖維表面的鐵納米顆粒大小均勻，且電極材料表現出優異的電化學性能。將Fe/N-3@CNFs作為陽極催化劑，可顯著改善陽極的界面性能，不僅提高了產電微生物的含量，而且加快了胞外電子的傳輸效率，進而使得MFCs的最大輸出功率高達1873.8 mW m?2，約是對照電極Fe@CNFs (1039.2 mW m?2)和碳布(519.8 mW m?2)的1.8倍和3.6倍，較高的產電性能可點亮電子表和LED燈。該研究介紹了一種利用靜電紡絲技術構建高效陽極電催化劑以提高MFCs輸出性能的有效方法。

本文要點

要點一：氮摻雜碳納米纖維錨定鐵納米顆粒陽極材料制備示意圖

圖 1?制備氮摻雜碳納米纖維錨定鐵納米顆粒的示意圖。

要點二：氮摻雜碳納米纖維錨定鐵納米顆粒陽極材料形貌結構分析

圖2?(a) Fe@NFs， (b) Fe/N-3@NFs， (c) Fe@CNFs和(d) Fe/N-3@CNFs的SEM圖，(e) Fe@CNFs和(f) Fe/N-3@CNFs的TEM圖，(g) Fe/N-3@CNFs的HRTEM圖，(h) SAED， (i) Fe/N-3@CNFs的EDS元素映射圖，(j) XRD譜圖，(k) Raman譜圖，(l) N2吸附/脫附等溫線。

要點三：氮摻雜碳納米纖維錨定鐵納米顆粒修飾陽極產電性能

圖3不同陽極的MFCs性能:(a)電池電壓輸出隨時間的變化，(b)功率密度和極化曲線，(c) (f) Nyquist曲線和擬合值，(d)循環伏安曲線，(e) COD去除率和庫侖效率，(g) Fe/N-3@CNFs陽極驅動LED燈和電子表的光學照片。

要點四：氮摻雜碳納米纖維錨定鐵納米顆粒陽極材料生物膜結構

圖4 (a) CC， (b) Fe@CNFs和(c) Fe/N-3@CNFs陽極上生物膜的微觀形貌。 (d) CC， (e) Fe@CNFs和(f) Fe/N-3@CNFs陽極上生物膜活性分析。

結論

本研究利用靜電紡絲技術制備了氮摻雜碳納米纖維錨定鐵納米顆粒作為MFCs陽極催化劑，顯著提升了陽極的電化學性能。這主要歸因于以下幾方面：制備的碳納米纖維的比表面積大，有助于產電微生物的附著；摻雜氮容易取代相鄰碳并產生正電荷位點，進而吸附更多的電活性細菌，增加產電菌的附著量；鐵納米顆粒附著在纖維上，增加了分散面積，且產生的電子傳遞中間體Fe2+/Fe3+可介導生物膜中的電子傳輸。

作者簡介

本研究的第一作者為北京科技大學博士生劉遠峰，師從李從舉教授，主要研究方向為納米纖維、MOFs材料及微生物燃料電池的設計。博士期間以第一作者在Journal?of Power sources, Electrochimica Acta, Journal of environmental chemical engineering 等期刊累計發表學術論文10篇。

文章信息

Yuanfeng Liu, Jiaona Wang*, Yaxin Sun, Huiyu Li, Zhenyu Zhai, Shiquan Guo, Tingli Ren, Congju Li*. Nitrogen-doped carbon nanofibers anchoring Fe nanoparticles as biocompatible anode for boosting extracellular electron transfer in microbial fuel cells, Journal of Power Sources, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231890.

分享到