DOI: 10.1016/j.jcis.2023.01.013

微生物燃料电池（MFCs）中的高效氧还原反应（ORR）电催化剂对于提高发电效率和降低总成本至关重要。在此，本研究展示了一种新型氮（N）掺杂碳纳米纤维（N-CNF）负载金属有机框架（MOFs）衍生金属和金属化合物异质结构，通过优化耦合调制效应赋予其优异的电催化活性。所得钴/磷化钴和钴/硫化钴纳米颗粒嵌入N掺杂碳纳米纤维（Co/CoP/Co2P@N-CNF，Co/CoS2@N-CNF）表现出卓越的ORR活性和甲醇耐受性。此外，用Co/CoP/Co2P@N-CNF和Co/CoS2@N-CNF复合材料修饰的组装MFCs还实现了更高的功率密度（375.16和400.06mW/m2）以及库仑效率（11.2%，12.4%），优于Pt/C电极（333.70mW/m2，10.4%）。令人印象深刻的是，Co/CoS2@N-CNF电极在双室MFCs中表现出长期稳定性和耐久性。总体而言，本研究报道并介绍了一种高性能异质结构正极，为桥接纳米催化和实用MFCs提供了一种有效策略。

图1.Co@N-CNF、Co/CoP/Co2P@N-CNF和Co/CoS2@N-CNF复合材料的合成示意图

图2.（a）PAN-ZIF-67的SEM，（b）Co/@N-CNF的SEM、（c）TEM和（d）HRTEM图像；（e,f）Co/CoP/Co2P@N-CNF的SEM、（g）TEM、（h,i）HRTEM图像、（j）SAED图案、（k,l）元素映射和线扫描轮廓；（m,n）Co/CoS2@N-CNF的SEM、（o,p）TEM、（q）HRTEM图像、（r）SAED图案、（s,t）元素映射和线扫描轮廓

图3.（a）Co@N-CNF、Co/CoP/Co2P@N-CNF和Co/CoS2@N-CNF的XRD图谱；（b）Co@N-CNF、Co/CoP/Co2P@N-CNF和Co/CoS2@N-CNF的拉曼光谱，（c）氩气气氛下PAN-ZIF-67的TG曲线。Co@N-CNF、Co/CoP/Co2P@N-CNF和Co/CoS2@N-CNF中（d）Co2p、（e）P2p、（f）S2p和（g）N1s的高分辨率XPS光谱，以及（h）不同N构型的对应含量

图4.（a）在O2饱和0.1M KOH溶液中的CV曲线，（b）1600rpm下的LSV曲线，（c）Eonset、E1/2和JL的值，（d）从图（b）中的数据提取的Tafel曲线，（e）Co/CoS2@N-CNF在不同转速下的ORR极化曲线和相对Koutecky-Levich曲线，（f）电化学双层电容，（g,h）Pt/C和Co/CoS2@N-CNF电极在O2饱和0.1M KOH+1M CH3OH中的LSV图，（i）甲醇耐受性示意图

图5.（a）MFCs的循环伏安曲线，（b）极化和功率密度曲线，（c）COD去除效率和库仑效率，（d）电池电压输出曲线；（e）由MFC串联供电的温度传感器的数字图像；（f）ORR的假设电催化机理图解