DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.231890

阳极界面处缓慢的细胞外电子转移（EET）是微生物燃料电池（MFC）实现优异功率密度的主要障碍。为了提高EET效率，本研究通过静电纺丝和煅烧工艺合理设计了锚定Fe纳米颗粒的氮掺杂碳纳米纤维（Fe/N-x@CNFs，x=0.5，1，3，5）阳极电催化剂。形貌和结构表征表明，Fe/N-3@CNFs电催化剂呈现出多孔结构，Fe纳米粒子均匀分布在碳基体上，为电活性细菌的栖息提供了较大的可接近表面积，同时提高了EET效率。电化学测量表明，所制备的Fe/N-3@CNFs对阳极上的电荷转移表现出优异的电催化活性，使电池的最大功率密度达到1873.8mW/m2，分别比Fe@CNFs（1039.2mW/m2）和碳布（519.8mW/m2）高出1.8倍和3.6倍。Fe/N-3@CNFs的出色性能可归因于含三聚氰胺添加剂的碳基质的较高电子电导率、高通量测序证实的电活性细菌的富集以及可提高EET效率的带正电荷铁介质的释放。总体而言，本研究提出了一种构建高效阳极电催化剂以提高MFCs输出性能的有效方法。

图1.Fe/N-3@CNFs电催化剂的制备示意图。

图2.（a）Fe@NFs、（b）Fe/N-3@NFs、（c）Fe@CNFs和（d）Fe/N-3@CNFs的SEM照片，（e）Fe@CNFs和（f）Fe/N-3@CNFs的TEM照片，（g）Fe/N-3@CNFs的HRTEM图像，（h）SAED，（i）Fe/N-3@CNFs的EDS元素映射，（j）XRD图谱，（k）拉曼光谱，（l）N2吸附/解吸等温线。

图3.配备不同阳极的MFCs的性能：（a）电池电压输出与时间的关系，（b）功率密度和极化曲线，（c）（f）奈奎斯特曲线和拟合值，（d）循环伏安曲线，（e）COD去除和库仑效率，（g）配备Fe/N-3@CNFs阳极的MFCs驱动定时器和灯的照片。注：奈奎斯特曲线的仿真模型为Rohm（RctQ）（RctQ），Rohm为内部欧姆电阻，Rct为电荷转移电阻，Q为恒相位元件。

图4.生物膜形成后在（a）CC、（b）Fe@CNFs和（c）Fe/N-3@CNFs阳极上生长的电活性生物膜的SEM图像。（d）CC、（e）Fe@CNFs和（f）Fe/N-3@CNFs阳极上细菌的共聚焦激光荧光图。

图5.（a）门水平和（b）属水平的不同阳极上的微生物群落结构。

图6.电活性细菌和Fe/N-3@CNFs阳极之间的电荷转移机制。