微生物燃料電池（MFC）利用微生物作為催化劑將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。然而，目前MFC的實(shí)際應(yīng)用受到功率輸出低的阻礙，這是由于陽極上微生物定植不足、微生物-陽極界面處細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移緩慢以及陰極處氧還原反應(yīng)催化效率低造成的。在此，通過熱解三聚氰胺甲醛樹脂（MF）、殼聚糖（CTS）和氧化石墨烯（GO）的交聯(lián)復(fù)合材料，碳化-CTS-MF/rGOtempreture（CCMF/rGOT）的三維（3D）分級多孔陽極。大孔陽極為產(chǎn)電原和3D電子轉(zhuǎn)移途徑提供了生物相容性表面。此外，石墨-N和吡咯-N含量的適當(dāng)平衡優(yōu)化了電導(dǎo)率和活性位點(diǎn)數(shù)量，從而協(xié)同增強(qiáng)了細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移（EET）效率。因此，CCMF/rGO1000陽極的功率密度為11.28 W/m3，超過了沒有3D還原氧化石墨烯（rGO）導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的CCMF1000陽極（10.04 W/m3）和傳統(tǒng)碳布陽極（4.36 W/m3）。此外，陽極在0.69 V的最大工作電壓下穩(wěn)定運(yùn)行超過200天，化學(xué)需氧量（COD）去除率達(dá)到95.4％。這項(xiàng)工作為制備富集放電源和增強(qiáng)EET的獨(dú)立3D陽極以改善MFC性能提供了一種有前途的策略。
圖 1. CCMF/rGOT 制造過程示意圖。
圖 2. (a)CCMF/rGO800、(b)CCMF/rGO900 和 (c)CCMF/rGO1000 的 SEM 圖像，插圖顯示不同材料的孔徑。(d)XRD 圖案，(e)拉曼光譜，(f)CCMF/rGO800、CCMF/rGO900 和 CCMF/rGO1000 的 XPS 光譜。
圖3. (a) CCMF/rGO800、(b) CCMF/rGO900 和 (c) CCMF/rGO1000 的 N 1 s 光譜。
圖 4. （a）CCMF/rGO800、CCMF/rGO900 和 CCMF/rGO1000 的氮吸附/解吸等溫線。（b）來自 BJH 模型的相應(yīng)孔徑分布。
圖5. (a) 接種前 CC、CCMF/rGO800、CCMF/rGO900 和 CCMF/rGO1000 的奈奎斯特圖。(b) 放大的奈奎斯特圖。
圖 6. (a) CC、CCMF/rGO800、CCMF/rGO900 和 CCMF/rGO1000 陽極的長期 V-t 曲線。(b) 不同陽極的電壓和功率密度。(c) 不同陽極生物膜的微生物群落結(jié)構(gòu)。(d) 不同陽極的 COD 去除效率（藍(lán)色）和庫侖效率（紅色）。
圖7. (a) 啟動(dòng)期間配備 CC、CCMF/rGO800、CCMF/rGO900 和 CCMF/rGO1000 陽極的 MFC 的電壓輸出。(b) 陽極液中不同陽極生物膜的奈奎斯特圖。(c) 周轉(zhuǎn)條件下不同陽極的 CV 和 (d) DPV 曲線。
圖 8. 不同陽極的 SEM 圖像，分別為（a 和 e）CC、（b 和 f）CCMF/rGO800、（c 和 g）CCMF/rGO900、（d 和 h）CCMF/rGO1000 陽極的內(nèi)表面和外表面進(jìn)行接種。
圖 9. 分別為（a 和 e）CC、（b 和 f）CCMF/rGO800、（c 和 g）CCMF/rGO900、（d 和 h）CCMF/rGO1000 上的生物膜的 CLSM 圖像。
圖10. 陽極內(nèi)部的細(xì)菌附著和直接電子轉(zhuǎn)移過程。
相關(guān)科研成果由哈爾濱工業(yè)大學(xué)Shaoqin Liu，Yunfeng Qiu等人于2024年發(fā)表在Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156807）上。原文：Enhancing microbial fuel cell performance with free-standing three-dimensional N-doped porous carbon anodes
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156807
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
