北科大Int. J. Hydrogen Energy：碳纳米纤维混合生物膜增强微生物燃料电池性能

【研究背景】

微生物燃料电池（MFC）作为一种新型的生物电化学器件，可以利用电活性细菌从废水中存在的有机污染物中获取电能，被认为是最有前途和价值的系统。尽管过去几十年取得了一些令人瞩目的成就，但相对较低的功率密度和较高的投资仍然是阻碍MFC实际应用的主要障碍。作为支撑电活性微生物繁殖和收集电子的阳极材料被认为是影响MFC整体性能的主要区域。因此，设计先进的阳极材料对于提高细菌负载、EET效率和功率输出具有重要意义。

【文章简介】

基于此，北京科技大学李从举教授的硕士生张敏在国际知名能源期刊 International journal of Hydrogen Energy 上发表题为“Enhanced performance of microbial fuel cells with a bacteria/shape-controllable aligned carbon nanofibers hybrid biofilm”的研究性文章。该文章基于基于电纺纳米纤维丰富的多孔结构、大比表面积、和自支撑的特性，研究了利用静电纺丝技术与抽滤技术制备的取向碳纳米纤维-细菌（ACNF-bacteria）复合材料对MFC阳极性能的影响。发现当PAN质量为20g、转轴转速为1000 r/min 时制备的碳纳米纤维（ACNF）取向性明显，电极材料表现出优异的电化学性能。将取向碳纳米纤维-细菌复合材料作为自支撑阳极，可显著改善阳极的界面性能，不仅提高了产电微生物的含量，而且加快了胞外电子的传输效率，进而使MFCs的最大输出功率高达704 mW·m^-2，约是对照电极ACNF（416 mW·m^-2）、CNF（354 mW·m^-2）和碳布（331 mW·m^-2）的1.7、2.0和2.1倍。

【本文要点】

要点一：取向碳纳米纤维-细菌阳极材料制备示意图

图1制备取向碳纳米纤维-细菌（ACNF-bacteria）阳极的合成示意图

要点二：不同阳极材料形貌结构分析

图2 （a）CC，（b）取向PAN，（c）ACNF和（d）ACNF-bacteria的SEM图。

要点三：取向碳纳米纤维-细菌自支撑阳极产电性能

图3 （a）电压-时间曲线，（b） 功率密度和极化曲线，（c）库伦效率，（d）MFC进水和出水COD的影响。

要点四：阳极电活性生物膜结构

图4 粘附在CC阳极（a1和a2）、CNF（b1和b2）、ACNF阳极（c1和c2）和ACNF-bacteria阳极（d1和d2）上生物膜的低倍和高倍SEM图像。红色箭头表示微生物细胞，对应的CLSM图像已插入。

要点五：微生物群落分析

图5 门水平微生物群落16S rRNA基因热解序列的分类（a）CC阳极，（b）CNF阳极，（c）ACNF阳极，和（d）ACNF-bacteria阳极，（e）属水平。

【结论】

本研究利用静电纺丝结合抽滤技术制备了取向碳纳米纤维-细菌复合阳极作为MFCs的自支撑阳极，显著提升了阳极的电化学性能。这主要归因于两个方面，一是取向碳纳米纤维具有多孔结构和较大的比表面积，使大量的电活性细菌能够附着在阳极电极上，二是抽滤策略使更多的电活性细菌能够进入阳极的内部空间，有利于提高发电和EET工艺。

【作者简介】

本研究的第一作者为北京科技大学硕士生张敏，师从李从举教授，主要研究方向为纳米纤维、金属氧化物及在微生物燃料电池的应用。硕士期间以第一作者在International journal of Hydrogen Energy、精细化工发表学术论文两篇。