碳纳米管包覆FeS2微多面体作为阳极电催化剂用于提高微生物燃料电池的产电能力

【研究背景】

微生物燃料电池（MFCs）可利用产电微生物氧化代谢有机物的过程中回收电能，是一种生态友好的生物能源收集和废水处理技术。目前，MFCs的商业化应用主要受限于其较低的输出功率密度。阳极作为产电微生物附着的场所及电子传输的媒介，是影响MFCs性能的重要部位之一。目前，常用的阳极材料主要为商业碳布，但其作为阳极材料时，常表现出微生物附着量少，挂膜速率慢，比电容小等缺点，严重限制了阳极产电量及微生物与阳极之间的电子传输效率。对碳布表面进行功能化改性是解决以上问题的主要策略。

【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化学领域TOP期刊Journal of Colloid and Interface Science上发表题为“Carbon nanotubes encapsulating FeS₂ micropolyhedrons as an anode electrocatalyst for improving the power generation of microbial fuel cells”的研究性文章。该研究设计了碳纳米管包覆FeS₂微多面体材料并用于MFC阳极，发现相较于纯碳布阳极，碳纳米管包覆FeS₂微多面体修饰的碳布表面产电微生物的附着量、微生物活性及胞外电子转移效率得到明显改善，最大输出功率高达1914 mW/m², 约是纯碳布阳极MFC的4.5倍，产生的电能可以成功驱动LED灯及电子表。其优异的性能可归因于FeS₂及碳纳米管之间的协同作用。FeS₂微多面体可以调控胞外电子传输过程，同时可以更好的协助碳纳米管的附着，而碳纳米管可以改善FeS₂微多面体的导电性能，降低电荷转移内阻，进而赋予阳极更优异的生物相容性及胞外电子转移效率。由于成本低、制作工艺简单、对生物降解有机物具有良好的电催化性能，因此，合成的FeS₂@CNT微多面体是一种具有应用前景的高性能、低成本MFC阳极材料。

【本文要点】

要点一：FeS₂@CNT微多面体阳极修饰剂制备示意图及形貌结构

图 1。(a)微多面体FeS₂@CNT的制备示意图;(b) FeS₂@CNT的SEM图，(c) TEM图，(d)高分辨率TEM图，(e) SAED图，(f) XRD图，(g) N₂吸附-解吸等温线，(h-k) EDS元素图。

要点二：FeS₂@CNT微多面体修饰阳极产电性能

图2配置不同阳极的MFC的参数:(a)输出电压，(b)功率密度和极化曲线，(c)具有代表性的阳极的MFC的功率密度，(d) CV图，(e) Nyquist图，(f) COD去除率和库仑效率，(g)FeS₂@CNT阳极MFC驱动电子表和LED。

要点三：FeS₂@CNT微多面体阳极材料生物膜结构

图3。附着在(a,b) CC， (d,e) CNT和(g,h) FeS₂@CNT阳极上的生物膜微观形貌。(c) CC， (f) CNT和(i) FeS₂@CNT阳极上微生物活性分析;(j-m) FeS₂@CNT阳极生物膜表面元素分布。

【结论】

总之，我们成功合成了一种高效的CNTs包覆FeS₂微多面体阳极电催化剂，以提高MFC的整体性能。制备的FeS₂@CNT电催化剂具有良好的生物亲和性，导电性，长期运行稳定性，对生物膜氧化代谢有机物具有显著的电催化活性。此外，嵌入生物膜的FeS₂@CNT微多面体有利于生物膜附着、微生物活性和胞外电子传输。基于以上优点，本工作描述了一种有前途的制备高效阳极电催化剂的方法，以提高MFC的整体性能。

【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气凝胶、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 Colloid and Interface Science， Journal of Power sources， Electrochimica Acta等期刊累计发表学术论文10篇，授权发明专利一项。

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.