氮掺杂碳纳米纤维锚定铁纳米颗粒作为生物相容阳极促进微生物燃料电池胞外电子转移

研究背景

微生物燃料电池（MFCs）可利用产电微生物作为催化剂将有机物中的化学能转化为电能，具有处理污水及产生能源的双重优点。然而，其较低的产电功率限制了MFCs的大规模应用。阳极作为电子传输的媒介及产电微生物的附着场所，是限制MFCs性能提升的瓶颈之一。目前，大部分商业化碳基材料作为阳极时，表现出生物膜形成时间长，产电微生物含量低，胞外电子转移速率缓慢等一系列问题，因此开发高效的阳极材料以改善阳极的界面性能具有重要意义。

文章简介

基于此，北京科技大学李从举教授的博士生刘远峰在国际知名能源期刊Journal of Power Sources上发表题为“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。该文章基于电纺纳米纤维连通、大比表面积、多孔且柔性支撑的特性，研究了利用静电纺丝技术制备的氮掺杂碳纳米纤维锚定铁纳米颗粒材料对于MFC阳极性能的影响。发现当铁与氮的摩尔质量比为3时 (Fe/N-3@CNFs)，制备的碳纳米纤维表面的铁纳米颗粒大小均匀，且电极材料表现出优异的电化学性能。将Fe/N-3@CNFs作为阳极催化剂，可显著改善阳极的界面性能，不仅提高了产电微生物的含量，而且加快了胞外电子的传输效率，进而使得MFCs的最大输出功率高达1873.8 mW m⁻²，约是对照电极Fe@CNFs (1039.2 mW m⁻²)和碳布(519.8 mW m⁻²)的1.8倍和3.6倍，较高的产电性能可点亮电子表和LED灯。该研究介绍了一种利用静电纺丝技术构建高效阳极电催化剂以提高MFCs输出性能的有效方法。

本文要点

要点一：氮掺杂碳纳米纤维锚定铁纳米颗粒阳极材料制备示意图

图 1 制备氮掺杂碳纳米纤维锚定铁纳米颗粒的示意图。

要点二：氮掺杂碳纳米纤维锚定铁纳米颗粒阳极材料形貌结构分析

图2 (a) Fe@NFs， (b) Fe/N-3@NFs， (c) Fe@CNFs和(d) Fe/N-3@CNFs的SEM图，(e) Fe@CNFs和(f) Fe/N-3@CNFs的TEM图，(g) Fe/N-3@CNFs的HRTEM图，(h) SAED， (i) Fe/N-3@CNFs的EDS元素映射图，(j) XRD谱图，(k) Raman谱图，(l) N₂吸附/脱附等温线。

要点三：氮掺杂碳纳米纤维锚定铁纳米颗粒修饰阳极产电性能

图3不同阳极的MFCs性能:(a)电池电压输出随时间的变化，(b)功率密度和极化曲线，(c) (f) Nyquist曲线和拟合值，(d)循环伏安曲线，(e) COD去除率和库仑效率，(g) Fe/N-3@CNFs阳极驱动LED灯和电子表的光学照片。

要点四：氮掺杂碳纳米纤维锚定铁纳米颗粒阳极材料生物膜结构

图4 (a) CC， (b) Fe@CNFs和(c) Fe/N-3@CNFs阳极上生物膜的微观形貌。 (d) CC， (e) Fe@CNFs和(f) Fe/N-3@CNFs阳极上生物膜活性分析。

结论

本研究利用静电纺丝技术制备了氮掺杂碳纳米纤维锚定铁纳米颗粒作为MFCs阳极催化剂，显著提升了阳极的电化学性能。这主要归因于以下几方面：制备的碳纳米纤维的比表面积大，有助于产电微生物的附着；掺杂氮容易取代相邻碳并产生正电荷位点，进而吸附更多的电活性细菌，增加产电菌的附着量；铁纳米颗粒附着在纤维上，增加了分散面积，且产生的电子传递中间体Fe²⁺/Fe³⁺可介导生物膜中的电子传输。

作者简介

本研究的第一作者为北京科技大学博士生刘远峰，师从李从举教授，主要研究方向为纳米纤维、MOFs材料及微生物燃料电池的设计。博士期间以第一作者在Journal of Power sources, Electrochimica Acta, Journal of environmental chemical engineering 等期刊累计发表学术论文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.