DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.155386
目前,MFCs的商业应用主要受限于电活性菌(EAB)粘附差和阳极界面细胞外电子转移(EET)缓慢导致的相对较低的功率密度。为了解决这个问题,本文通过简单的静电纺丝、热解和原位混合工艺制备了集成碳纳米管的中空钴铁氧体纳米纤维(CoFe2O4/CNTs),作为高效的阳极电催化剂。有趣的是,具有连续互连网络的CoFe2O4/CNTs电催化剂不仅增强了与EAB的界面亲和力,而且促进了阳极和EAB之间的电子转移效率,这使得MFCs的最大功率密度为2290mW/m2,远远超过参照CoFe2O4(1458mW/m2)和碳布(496.7mW/m2)阳极。优异的功率密度可归因于连续的多孔支架、对生物膜中氧化还原反应的显著电催化活性,以及CoFe2O4/CNTs电催化剂上的多种价态正电荷阳离子,其有利于带负电荷的地杆菌粘附、定殖,并介导穿过厚生物膜的长距离EET。总体而言,本研究为制造阳极电催化剂提供了一种新的策略,可提高MFCs的整体性能。
图1.(a)静电纺丝PVP/Co2+/Fe3+纳米纤维,(b,c)升温速率为2℃/min时,不同放大倍率下的中空CoFe2O4纳米纤维,(d)中空CoFe2O4/CNTs纳米纤维的SEM图像。(e,f)中空CoFe2O4纳米纤维的HR-TEM图像,(g)SAED图谱和(h)EDX元素映射。(i)不同升温速率下CoFe2O4的XRD图谱。
图2.(a)静电纺丝PVP/Co2+/Fe3+纳米纤维在空气气氛中热裂解的TG-DSC曲线,(b)中空CoFe2O4纳米纤维的N2吸附-解吸等温线,(c)中空CoFe2O4纳米纤维的Co2p、(d)Fe2p和(e)O1s光谱。
图3.三电极系统中不同阳极的电化学表征。(a)扫描速率为10mV/s时的循环伏安分析(电解质:阳极电解液),(b)开路电位(105-10-1Hz)下的电化学阻抗谱,(c)等效电路,以及(d)拟合的欧姆电阻和电荷转移电阻。
图4.(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测量,(f)使用含CoFe2O4/CNTs阳极的MFCs供电的照片。
图5.(a,b)CC、(c,d)CoFe2O4和(e,f)CoFe2O4/CNTs阳极上生长的生物膜的SEM图像。(g)CC、(h)CoFe2O4和(i)CoFe2O4/CNTs阳极上细菌的激光共聚焦荧光图。(j)CoFe2O4/CNTs阳极和生物膜之间的电荷转移机制示意图。
图6.(a)门和(b)属水平的阳极生物膜的微生物群落结构。