伊利師范大學、北京科技大學Appl. Surf. Sci.：中空鈷鐵氧體耦合碳納米管作為微生物燃料電池陽極增強產電性能

【導讀】

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, MFC)是以微生物為催化劑，在氧化代謝有機物的過程中回收電能的裝置，具有發電和廢棄物處置的雙重功效。但目前相對較低的產電效率和高成本限制了MFC的工程應用。陽極作為微生物附著及電子傳輸的媒介，是影響MFC整體性能的重要部位。目前常用的商業碳基材料作為陽極常表現出微生物整體負載量低和胞外電子傳輸速率慢等弊端，限制了 MFC的功率輸出。構筑高性能的納米纖維基導線材料以改善陽極界面性能是一種可行的策略。

【成果掠影】

近日，伊利師范大學與北京科技大學環境與能源納米材料交叉團隊合作報道了一種中空鈷鐵氧體納米纖維耦合碳納米管納米纖維基導線材料，該材料主要通過電紡聚乙烯吡咯烷酮、鐵和鈷鹽前驅體溶液、熱解及原位混合過程制得。這種納米纖維基導線材料具有三維多孔結構和較大的比表面積，可為微生物的附著提供較大的空間。另外，中空鈷鐵氧體納米纖維中的鈷和鐵離子的變化合價效應可以調控微生物種間電子傳輸，碳納米管可以改善鈷鐵氧體納米纖維表面的導電性，降低電荷轉移內阻。基于以上優點，將中空鈷鐵氧體納米纖維耦合碳納米管應用于MFC陽極，顯著提升了陽極表面微生物的含量、陽極比電容、及MFC的產電性能。最大輸出功率達到了2290 mW m^?2，約是純碳布陽極的4.6倍。較高的輸出功率可為電子器件供電，本研究為構筑陽極界面結構以提高MFC整體性能提供了一種新思路。相關成果以“Hollow cobalt ferrite nanofibers integrating with carbon nanotubes as microbial fuel cell anode for boosting extracellular electron transfer”發表在知名期刊Applied?Surface Science上。北京科技大學博士研究生劉遠峰為第一作者，周光明教授和李從舉教授為論文共同通訊作者。

【數據概況】

圖1 中空CoFe₂O₄/CNTs納米纖維的設計和形貌

圖1 (a)?制備中空CoFe₂O₄/CNTs支架示意圖;(b)靜電紡絲PVP/Co²⁺/Fe³⁺納米纖維，(c,d)中空鈷鐵氧體納米纖維，(e)三維CoFe₂O₄/CNTs纖維的微觀形貌；中空CoFe₂O₄納米纖維的(e,f) HR-TEM,(i)SAED及(i)EDX圖像；(j)?CoFe₂O₄在不同升溫速率下的XRD譜圖。

圖2 MFC性能

圖2?(a) MFCs電壓輸出；(b)功率密度和極化曲線，(c) MFCs功率密度的比較，(d) COD去除率和庫侖效率，(e)生物膜形成后的CV分析，(f) CoFe₂O₄/CNTs陽極MFCs為電子器件供電。

圖3?陽極生物膜的測試

圖3?生長在(a, b) CC， (c, d) CoFe₂O₄和(e, f) CoFe₂O₄/CNTs陽極上的生物膜的SEM圖像。細菌在(g) CC， (h) CoFe₂O₄和(i) CoFe₂O₄/CNTs陽極上的活性分析。(j) CoFe₂O₄/CNTs陽極與生物膜之間的電荷轉移機制示意圖。

【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Applied?Surface Science, Journal of Colloid and Interface Science,?Journal of Power sources等期刊累計發表學術論文10余篇，授權發明專利一項。

【論文信息】

Liu Yuanfeng, Zhou Guangming, Sun Yaxin, Zhang Min, Ren Tingli, Wang Le, Li Congju, Hollow cobalt ferrite nanofibers integrating with carbon nanotubes as microbial fuel cell anode for boosting extracellular electron transfer, Appl. Surf. Sci. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155386.