北科大Int. J.?Hydrogen Energy：碳納米纖維混合生物膜增強微生物燃料電池性能

【研究背景】

微生物燃料電池（MFC）作為一種新型的生物電化學器件，可以利用電活性細菌從廢水中存在的有機污染物中獲取電能，被認為是最有前途和價值的系統。盡管過去幾十年取得了一些令人矚目的成就，但相對較低的功率密度和較高的投資仍然是阻礙MFC實際應用的主要障礙。作為支撐電活性微生物繁殖和收集電子的陽極材料被認為是影響MFC整體性能的主要區域。因此，設計先進的陽極材料對于提高細菌負載、EET效率和功率輸出具有重要意義。

【文章簡介】

基于此，北京科技大學李從舉教授的碩士生張敏在國際知名能源期刊 International journal of Hydrogen Energy 上發表題為“Enhanced performance of microbial fuel cells with a bacteria/shape-controllable aligned carbon nanofibers hybrid biofilm”的研究性文章。該文章基于基于電紡納米纖維豐富的多孔結構、大比表面積、和自支撐的特性，研究了利用靜電紡絲技術與抽濾技術制備的取向碳納米纖維-細菌（ACNF-bacteria）復合材料對MFC陽極性能的影響。發現當PAN質量為20g、轉軸轉速為1000 r/min 時制備的碳納米纖維（ACNF）取向性明顯，電極材料表現出優異的電化學性能。將取向碳納米纖維-細菌復合材料作為自支撐陽極，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MFCs的最大輸出功率高達704 mW·m^-2，約是對照電極ACNF（416?mW·m^-2）、CNF（354?mW·m^-2）和碳布（331?mW·m^-2）的1.7、2.0和2.1倍。

【本文要點】

要點一：取向碳納米纖維-細菌陽極材料制備示意圖

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圖1制備取向碳納米纖維-細菌（ACNF-bacteria）陽極的合成示意圖

要點二：不同陽極材料形貌結構分析

圖2?（a）CC，（b）取向PAN，（c）ACNF和（d）ACNF-bacteria的SEM圖。

要點三：取向碳納米纖維-細菌自支撐陽極產電性能

圖3 （a）電壓-時間曲線，（b） 功率密度和極化曲線，（c）庫倫效率，（d）MFC進水和出水COD的影響。

要點四：陽極電活性生物膜結構

圖4?粘附在CC陽極（a1和a2）、CNF（b1和b2）、ACNF陽極（c1和c2）和ACNF-bacteria陽極（d1和d2）上生物膜的低倍和高倍SEM圖像。紅色箭頭表示微生物細胞，對應的CLSM圖像已插入。

要點五：微生物群落分析

圖5?門水平微生物群落16S rRNA基因熱解序列的分類（a）CC陽極，（b）CNF陽極，（c）ACNF陽極，和（d）ACNF-bacteria陽極，（e）屬水平。

【結論】

本研究利用靜電紡絲結合抽濾技術制備了取向碳納米纖維-細菌復合陽極作為MFCs的自支撐陽極，顯著提升了陽極的電化學性能。這主要歸因于兩個方面，一是取向碳納米纖維具有多孔結構和較大的比表面積，使大量的電活性細菌能夠附著在陽極電極上，二是抽濾策略使更多的電活性細菌能夠進入陽極的內部空間，有利于提高發電和EET工藝。

【作者簡介】

本研究的第一作者為北京科技大學碩士生張敏，師從李從舉教授，主要研究方向為納米纖維、金屬氧化物及在微生物燃料電池的應用。碩士期間以第一作者在International journal of Hydrogen Energy、精細化工發表學術論文兩篇。