北京科技大学Journal of Power Sources：构建MOFs装饰的多级孔碳纳米纤维实现微生物燃料电池ORR高效催化

微生物燃料电池（MFC）能通过微生物将废水和其他有机废物中的化学能转化为电能，为同时解决能源危机和水污染问题提供了可能的解决方案。若能利用污水中有机物的5%，便可解决污水处理的成本问题，是助力实现“碳中和及碳达峰”的绿色能源技术。然而MFC阴极反应通常慢于阳极，堆积的电子极大程度限制了燃料电池的能量转换效率和产电性能。因此，在MFC阴极添加高活性和耐久性的电催化剂用于加速阴极氧还原反应(ORR)是非常必要的。

金属有机框架材料（MOFs）指过渡金属离子与有机配体通过自组装形成的具有周期性网络结构的晶体多孔材料。由MOFs衍生的碳纳米材料，特别是杂原子掺杂的MOFs，具有高表面积，高化学稳定性和可调节的结构，显示出了电催化反应的前景。然而在高碳化温度下，MOFs通常容易坍塌并聚集，导致孔隙结构被破坏，比表面积减少，这大大降低了其电化学性能。为了克服这些缺点，可以将MOFs纳米颗粒巧妙地均匀负载在三维材料上。

北京科技大学博士生李惠雨通过原位生长的方法将掺杂Fe的MOFs颗粒负载于生物质材料细菌纤维素纳米纤维的表面，经高温煅烧成功制备出具有分层多孔结构和丰富的Fe-N_x位点的ORR催化剂（Fe-NC@CBC），并成功应用于MFC阴极，获得高库伦效率。

图1 Fe-NC@CBC的合成示意图

具有三维交织网状的细菌纤维素表面含有大量羟基，能够作为锚定金属离子的支架，从而在后续原位生长的过程中均匀分散MOF颗粒，避免了团聚和迁移，确保了应用过程中ORR的持续有效发生。同时由于细菌纤维素纳米纤维本身的大孔结构，Fe在ZIF前驱体中独特的中孔形成作用以及Zn挥发留下部分微孔，制备出的催化剂具有独特的混合分层多孔结构。

图2 (a)纳米纤维表面生长掺Fe的ZIF颗粒和(b)高温碳化后Fe-NC@CBC的微观形貌图像; (c-e) Fe-NC@CBC 的TEM图像和元素映射图; (f)未生长ZIF，未掺杂Fe以及Fe-NC@CBC的XRD谱图；(g)含孔径分布的Fe-NC@CBC的氮吸附和脱附等温线。

使用Fe-NC@CBC作为催化剂的MFC能够产生的最大输出功率和库伦效率分别可以达到640.56mW/m²和23.6%，性能明显优于使用商用20 wt% Pt/C催化剂的MFC对照组。表明使用Fe-NC@CBC阴极的MFC具有更高效的废水处理和产电能力。

图3 安装不同阴极催化剂的MFC的（a）循环伏安曲线；（b）EIS的奈奎斯特图（内嵌：等效电路模型）；（c）极化曲线；（d）对MFC进出水中COD的影响和库伦效率。

总之，这项工作成功在细菌纤维素纳米纤维表面修饰Fe基MOFs 颗粒，并首次将其应用于微生物燃料电池阴极。这项工作可以为合成低成本、环保、高效的适用于 MFC 的阴极催化剂提供新的视角。

该论文第一作者为二年级博士生李惠雨，主要研究方向为纳米纤维、MOFs材料与微生物燃料电池应用，师从李从举教授，读博期间已发表SCI论文2篇。

Huiyu Li, Xiuling Zhang, Yue Qin, Yuanfeng Liu, Jiaona Wang*, Lichong Peng, Congju Li*. Crafting controllable Fe-based hierarchically organic-frameworks from bacterial cellulose nanofibers for efficient electrocatalysts in microbial fuel cells, Journal of Power Sources, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230522.

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