碳納米管包覆FeS2微多面體作為陽極電催化劑用于提高微生物燃料電池的產電能力

【研究背景】

微生物燃料電池（MFCs）可利用產電微生物氧化代謝有機物的過程中回收電能，是一種生態友好的生物能源收集和廢水處理技術。目前，MFCs的商業化應用主要受限于其較低的輸出功率密度。陽極作為產電微生物附著的場所及電子傳輸的媒介，是影響MFCs性能的重要部位之一。目前，常用的陽極材料主要為商業碳布，但其作為陽極材料時，常表現出微生物附著量少，掛膜速率慢，比電容小等缺點，嚴重限制了陽極產電量及微生物與陽極之間的電子傳輸效率。對碳布表面進行功能化改性是解決以上問題的主要策略。

【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化學領域TOP期刊Journal of Colloid and Interface Science上發表題為“Carbon nanotubes encapsulating FeS₂ micropolyhedrons as an anode electrocatalyst for improving the power generation of microbial fuel cells”的研究性文章。該研究設計了碳納米管包覆FeS₂微多面體材料并用于MFC陽極，發現相較于純碳布陽極，碳納米管包覆FeS₂微多面體修飾的碳布表面產電微生物的附著量、微生物活性及胞外電子轉移效率得到明顯改善，最大輸出功率高達1914 mW/m², 約是純碳布陽極MFC的4.5倍，產生的電能可以成功驅動LED燈及電子表。其優異的性能可歸因于FeS₂及碳納米管之間的協同作用。FeS₂微多面體可以調控胞外電子傳輸過程，同時可以更好的協助碳納米管的附著，而碳納米管可以改善FeS₂微多面體的導電性能，降低電荷轉移內阻，進而賦予陽極更優異的生物相容性及胞外電子轉移效率。由于成本低、制作工藝簡單、對生物降解有機物具有良好的電催化性能，因此，合成的FeS₂@CNT微多面體是一種具有應用前景的高性能、低成本MFC陽極材料。

【本文要點】

要點一：FeS₂@CNT微多面體陽極修飾劑制備示意圖及形貌結構

圖 1。(a)微多面體FeS₂@CNT的制備示意圖;(b) FeS₂@CNT的SEM圖，(c) TEM圖，(d)高分辨率TEM圖，(e) SAED圖，(f) XRD圖，(g) N₂吸附-解吸等溫線，(h-k) EDS元素圖。

要點二：FeS₂@CNT微多面體修飾陽極產電性能

圖2配置不同陽極的MFC的參數:(a)輸出電壓，(b)功率密度和極化曲線，(c)具有代表性的陽極的MFC的功率密度，(d) CV圖，(e) Nyquist圖，(f) COD去除率和庫侖效率，(g)FeS₂@CNT陽極MFC驅動電子表和LED。

要點三：FeS₂@CNT微多面體陽極材料生物膜結構

圖3。附著在(a,b) CC， (d,e) CNT和(g,h) FeS₂@CNT陽極上的生物膜微觀形貌。(c) CC， (f) CNT和(i) FeS₂@CNT陽極上微生物活性分析;(j-m) FeS₂@CNT陽極生物膜表面元素分布。

【結論】

總之，我們成功合成了一種高效的CNTs包覆FeS₂微多面體陽極電催化劑，以提高MFC的整體性能。制備的FeS₂@CNT電催化劑具有良好的生物親和性，導電性，長期運行穩定性，對生物膜氧化代謝有機物具有顯著的電催化活性。此外，嵌入生物膜的FeS₂@CNT微多面體有利于生物膜附著、微生物活性和胞外電子傳輸。基于以上優點，本工作描述了一種有前途的制備高效陽極電催化劑的方法，以提高MFC的整體性能。

【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氣凝膠、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 Colloid and Interface Science， Journal of Power sources， Electrochimica Acta等期刊累計發表學術論文10篇，授權發明專利一項。

文章信息

Yuanfeng Liu, Yaxin Sun, Min Zhang, Shiquan Guo, Zijing Su, Tingli Ren, Congju Li*. Carbon nanotubes encapsulating FeS₂ micropolyhedrons as an anode electrocatalyst for improving the power generation of microbial fuel cells, Journal of Colloid and Interface Science, https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.09.130.