DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.09.300

提高细菌负载量和细胞外电子转移（EET）效率是提高微生物燃料电池（MFCs）整体性能的有前途的策略。在此，本研究采用静电纺丝和共过滤方法制备了一种定向碳纳米纤维-细菌（ACNF-细菌）混合物，将其用作一种高效阳极。与原始碳布（CC）阳极相比，ACNF基质显示出丰富的多孔结构、大的比表面积和明显改善的电催化性能。具体而言，使用ACNF-细菌阳极的MFC可实现704mW/m2的最大功率密度，比使用CNF和CC阳极的电池分别高出1.7和2.1倍。令人印象深刻的是，ACNF-细菌阳极的库仑效率和化学需氧量（COD）去除率分别达到47.4%和87.9%，远远超过CC阳极（29.3%和47.6%）。考虑到低成本、简便制备和高功率输出等综合因素，这种新型ACNF-细菌阳极为大规模构建高性能、低成本的MFCs提供了巨大的潜力。

图1.不同质量的ACNF的电化学性能：（a）CV曲线，（b）EIS曲线。20g ACNF在不同碳化加热速率下的（c）XRD图和（d）拉曼光谱。

图2.（a）CC的SEM图像，（b）定向PAN的SEM图像，（c）ACNF的SEM图像，（d）ACNF-细菌的SEM图像，红色箭头为微生物细胞。

图3.（a）20g ACNF在2℃/min下的XPS光谱，以及（b）C1s、（C）O1s和（d）N1s光谱。

图4.接种前（a）和接种后（c）阳极在N2饱和阳极电解液中的CVs，扫描速率为10mV/s。接种前（b）和接种后（d）阳极在1000KHz-10Hz频率下的奈奎斯特图。（W：瓦尔堡阻抗；Cd1：电容）。

图5.（a）电压-时间曲线，（b）功率密度和极化曲线，（c）库仑效率，（d）MFCs流入和流出中COD的影响。

图6.附着在CC阳极（a1和a2）、CNF（b1和b2）、ACNF阳极（c1和c2）和ACNF-细菌阳极（d1和d2）上的生物膜的低倍和高倍SEM图像。红色箭头表示微生物细胞。插图为相应的CLSM图像。

图7.不同阳极的微生物群落16S rRNA基因序列的分类：（a）CC阳极样品，（b）CNF阳极样品，（c）ACNF阳极样品和（d）ACNF-细菌阳极样品，以及（e）基因水平下，所制备阳极上生物膜的不同细菌群落。

图8.CC和ACNF-细菌阳极可能的细胞外电子转移机理。