北京科技大学Electrochimica Acta：多孔α-Fe2O3纳米纤维混合碳纳米管修饰阳极提升微生物燃料电池产电性能

微生物燃料电池利用微生物催化氧化有机物的过程中产生电子，具有废水处理和产生能源的双重功能，此外，它的产物是二氧化碳和水，不会产生二次污染，且能回收电能。若能利用污水中有机物的5%，便可解决污水处理的成本问题，是助力实现“碳中和及碳达峰”的绿色能源技术。然而，微生物燃料电池产电效率较低，输出功率密度普遍在几十到几百（mW/m²）之间，显著低于传统的化学燃料电池。因此，提高微生物燃料电池的输出功率是推动该技术走向实际应用的重要前提。

阳极作为产电微生物附着及接收电子的重要部位，是影响微生物燃料电池产电性能的重要因素。其中电极与微生物之间界面电子转移速率及微生物附着量是制约其阳极生物电催化性能的主要因素之一。鉴于α-Fe₂O₃与产电菌外膜细胞色素c的中点电位较为接近，有利于胞外电子传输。为此，北京科技大学博士生刘远峰以PVP/FeCl₃ꞏ6H₂O为前驱体，通过静电纺丝技术及控制煅烧条件制备了多孔性α-Fe₂O₃纳米纤维，并与碳纳米管混合形成的三维网状修饰碳布阳极，显著提升了阳极材料的电化学性能。

图1通过静电纺丝及煅烧合成CNTs/α-Fe₂O₃纳米纤维的示意图

α-Fe₂O₃与产电菌外膜细胞色素c的中点电位较为接近，有利于胞外电子传输，此外，制备的CNTs/α-Fe₂O₃纳米纤维同样提升了碳布表面的粗糙度，增加了产电微生物的附着量，进而提升了MFC的产电性能。

图2 (a)静电纺制备的PVP/Fe³⁺纳米纤维和(b)多孔α-Fe₂O₃纳米纤维的微观形貌图像; (c)不同升温速率下α-Fe₂O₃的XRD谱图；(d)含孔径分布的α-Fe₂O₃ 纳米纤维的氮吸附和脱附等温线;(e) α-Fe₂O₃ NF的TEM图像和(f) 高分辨率 TEM图像。

这种自组装形成的三维网状CNTs/α-Fe₂O₃纳米纤维材料修饰到碳布表面作为MFC阳极，产生的最大输出功率密度为1952 mW/m2,显著高于碳布阳极MFC，且输出电压周期稳定，表明了制备的CNTs/α-Fe₂O₃纳米纤维阳极的稳定性。

图3  (a) 输出电压；(b)功率密度曲线和极化曲线

总之，制备的多孔性α-Fe₂O₃纳米纤维与碳纳米管混合后，自组装形成三维网状结构，显著提升了阳极的性能。多孔性α-Fe₂O₃纳米纤维材料能够调控产电菌外膜细胞色素c与碳布之间电子传输的势垒，减小了电子传递所消耗的能量，进而提升MFC的产电性能。

该论文第一作者为二年级博士生刘远峰，主要研究方向为微生物燃料电池的设计与制备，师从李从举教授，读博期间已发表SCI及EI检索论文6篇。

Yuanfeng Liu, Xiuling Zhang *, Huiyu Li, Lichong Peng, Yue Qin, Xiaoqiu Lin, Linshan Zheng, Congju Li *. Porous α-Fe₂O₃ Nanofiber Combined with Carbon Nanotube as Anode to Enhance the Bioelectricity Generation for Microbial Fuel Cell. Electrochimica Acta. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.138984

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