北科大J. Colloid Interf. Sci.：雙金屬MOF衍生多孔CoFe2O4納米顆粒作為陽極電催化劑強化微生物燃料電池產電性能

1 研究背景

微生物燃料電池（MFC）可在電活性微生物的作用下，將有機廢水中的化學能轉化為電能，兼具污水處理及產電的雙重作用，具有廣泛的應用前景。然而，目前相對較低的輸出功率密度是制約其實際應用的主要障礙。陽極作為電活性微生物的載體及電子傳輸的媒介，是影響MFC性能的重要部位之一，主要是由于陽極界面的生物膜濃度低及電子傳輸動力學過程緩慢所致。碳布由于具有優異的化學穩定性常被用作MFC的陽極，但其光滑的表面和低孔隙率不利于微生物的附著、界面傳質過程及胞外電子傳遞，制約了MFC的高功率輸出。對碳布表面進行功能化修飾被認為是一種可行的策略。

2 文章簡介

基于此，北京科技大學李從舉教授的博士生任婷莉在知名化學領域期刊Journal of Colloid and Interface Science上發表了題為“Bimetal-organic framework-derived porous CoFe₂O₄?nanoparticles as biocompatible anode electrocatalysts for improving the power generation of microbial fuel cells”的研究性文章。該文章基于雙金屬協同機制構筑了雙金屬有機框架（bimetal-organic framework，B-MOF）作為前驅體，通過簡單的水熱和碳化方法直接合成了多孔CoFe₂O₄納米顆粒用于微生物燃料電池的陽極電催化劑。性能測試表明：相較于純碳布陽極，經CoFe₂O₄納米顆粒修飾碳布后，陽極電化學性能、表面的生物膜濃度及活性得到明顯提升，進而強化了胞外電子傳遞過程及MFC產電性能。經CoFe₂O₄修飾的碳布陽極MFC的最大輸出功率可達1026.675 mW?m^?2，約是純碳布陽極的3.4倍。產電性能提升的原因主要歸因于以下幾點：（i）經CoFe₂O₄修飾后，碳布陽極的表面變得粗糙、比表面積增加，更有利于生物膜的形成，進而提高總產電量；（ii）雙金屬協同機制賦予了CoFe₂O₄優異的循環穩定性，更有利于MFC的長期運行。另外，多價態金屬陽離子（Co³⁺/Co²⁺，Fe³⁺/Fe²⁺）的變化合價特性，可用于調控胞外電子傳遞和信息交換過程，進而提高MFC的產電性能；（iii）引入CoFe₂O₄后，碳布表面可形成帶正電荷的活性位點，可以快速附著更多的電負性微生物，有利于降低界面內阻，提升陽極的界面性能。

3 本文要點

要點一：多孔CoFe₂O₄陽極催化劑的制備示意圖

圖1 制備B-MOF衍生的多孔CoFe₂O₄納米顆粒的示意圖

要點二：B-MOF衍生的多孔CoFe₂O₄納米顆粒的形貌結構分析

圖2 （a）MOF-74-Co/Fe;（b）CoFe₂O₄納米顆粒;（c）未碳化的MOF-74/ CoFe₂O₄@CC（插圖為放大的MOF-74-Co/Fe）;（d） MOF-74/ CoFe₂O₄@CC的SEM圖像;（e）MOF-74/ CoFe₂O₄@CC的EDS圖像；（f）XRD圖譜; CoFe₂O₄的（g）透射電鏡圖像（插圖為HR-TEM圖像），（h）SAED圖譜。

要點三：CoFe₂O₄納米顆粒修飾陽極后微生物燃料電池的產電性能

圖3 （a）輸出電壓曲線;（b）極化和功率密度曲線;（c）最大功率密度比較，材料1和2分別為MOF-74/CoFe₂O₄-CC和MOF-74/CoFe₂O₄@CC;（d）COD去除率和CE；（e）CV曲線；（f）不同材料作為微生物燃料電池陽極的比電容。

要點四：CoFe₂O₄納米顆粒陽極材料生物膜結構及電子傳輸過程

圖4 陽極生物膜的CLSM圖像：（a）CC，（b）MOF-74/ CoFe₂O₄-CC，（c）MOF-74/ CoFe₂O₄@CC;陽極生物膜的SEM圖像（d）CC，（e）MOF-74/ CoFe₂O₄-CC，（f）MOF-74/ CoFe₂O₄@CC;（g）MOF-74/ CoFe₂O₄-CC在運行一段時間后的EDS圖像;（h）陽極和細菌之間的電子傳輸過程。

4?結論

本研究以雙金屬有機框架為前驅體合成CoFe₂O₄電催化劑修飾碳布作為微生物燃料電池的陽極，提高了陽極的電化學性能及MFC的產電和污染物去除性能。本研究介紹了一種制備高效陽極電催化劑的方法，提高了微生物燃料電池的整體性能。

5?作者簡介

本研究的第一作者為北京科技大學博士生任婷莉，師從李從舉教授，主要研究方向為納米纖維氣凝膠、MOFs材料及微生物燃料電池的設計。

文章信息

Tingli Ren, Yuanfeng Liu, Chunhong Shi*, Congju Li*. Bimetal-organic framework-derived porous CoFe₂O₄?nanoparticles as biocompatible anode electrocatalysts for improving the power generation of microbial fuel cells,?Journal of Colloid and Interface Science, https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.04.056.

本文由作者供稿