伊利师范大学、北京科技大学Appl. Surf. Sci.：中空钴铁氧体耦合碳纳米管作为微生物燃料电池阳极增强产电性能

【导读】

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)是以微生物为催化剂，在氧化代谢有机物的过程中回收电能的装置，具有发电和废弃物处置的双重功效。但目前相对较低的产电效率和高成本限制了MFC的工程应用。阳极作为微生物附着及电子传输的媒介，是影响MFC整体性能的重要部位。目前常用的商业碳基材料作为阳极常表现出微生物整体负载量低和胞外电子传输速率慢等弊端，限制了 MFC的功率输出。构筑高性能的纳米纤维基导线材料以改善阳极界面性能是一种可行的策略。

【成果掠影】

近日，伊利师范大学与北京科技大学环境与能源纳米材料交叉团队合作报道了一种中空钴铁氧体纳米纤维耦合碳纳米管纳米纤维基导线材料，该材料主要通过电纺聚乙烯吡咯烷酮、铁和钴盐前驱体溶液、热解及原位混合过程制得。这种纳米纤维基导线材料具有三维多孔结构和较大的比表面积，可为微生物的附着提供较大的空间。另外，中空钴铁氧体纳米纤维中的钴和铁离子的变化合价效应可以调控微生物种间电子传输，碳纳米管可以改善钴铁氧体纳米纤维表面的导电性，降低电荷转移内阻。基于以上优点，将中空钴铁氧体纳米纤维耦合碳纳米管应用于MFC阳极，显著提升了阳极表面微生物的含量、阳极比电容、及MFC的产电性能。最大输出功率达到了2290 mW m⁻²，约是纯碳布阳极的4.6倍。较高的输出功率可为电子器件供电，本研究为构筑阳极界面结构以提高MFC整体性能提供了一种新思路。相关成果以“Hollow cobalt ferrite nanofibers integrating with carbon nanotubes as microbial fuel cell anode for boosting extracellular electron transfer”发表在知名期刊Applied Surface Science上。北京科技大学博士研究生刘远峰为第一作者，周光明教授和李从举教授为论文共同通讯作者。

【数据概况】

图1 中空CoFe₂O₄/CNTs纳米纤维的设计和形貌

图1 (a) 制备中空CoFe₂O₄/CNTs支架示意图;(b)静电纺丝PVP/Co²⁺/Fe³⁺纳米纤维，(c,d)中空钴铁氧体纳米纤维，(e)三维CoFe₂O₄/CNTs纤维的微观形貌；中空CoFe₂O₄纳米纤维的(e,f) HR-TEM,(i)SAED及(i)EDX图像；(j) CoFe₂O₄在不同升温速率下的XRD谱图。

图2 MFC性能

图2 (a) MFCs电压输出；(b)功率密度和极化曲线，(c) MFCs功率密度的比较，(d) COD去除率和库仑效率，(e)生物膜形成后的CV分析，(f) CoFe₂O₄/CNTs阳极MFCs为电子器件供电。

图3 阳极生物膜的测试

图3 生长在(a, b) CC， (c, d) CoFe₂O₄和(e, f) CoFe₂O₄/CNTs阳极上的生物膜的SEM图像。细菌在(g) CC， (h) CoFe₂O₄和(i) CoFe₂O₄/CNTs阳极上的活性分析。(j) CoFe₂O₄/CNTs阳极与生物膜之间的电荷转移机制示意图。

【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Applied Surface Science, Journal of Colloid and Interface Science, Journal of Power sources等期刊累计发表学术论文10余篇，授权发明专利一项。

【论文信息】

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.