北科大J. Colloid Interf. Sci.：双金属MOF衍生多孔CoFe2O4纳米颗粒作为阳极电催化剂强化微生物燃料电池产电性能

1 研究背景

微生物燃料电池（MFC）可在电活性微生物的作用下，将有机废水中的化学能转化为电能，兼具污水处理及产电的双重作用，具有广泛的应用前景。然而，目前相对较低的输出功率密度是制约其实际应用的主要障碍。阳极作为电活性微生物的载体及电子传输的媒介，是影响MFC性能的重要部位之一，主要是由于阳极界面的生物膜浓度低及电子传输动力学过程缓慢所致。碳布由于具有优异的化学稳定性常被用作MFC的阳极，但其光滑的表面和低孔隙率不利于微生物的附着、界面传质过程及胞外电子传递，制约了MFC的高功率输出。对碳布表面进行功能化修饰被认为是一种可行的策略。

2 文章简介

基于此，北京科技大学李从举教授的博士生任婷莉在知名化学领域期刊Journal of Colloid and Interface Science上发表了题为“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。该文章基于双金属协同机制构筑了双金属有机框架（bimetal-organic framework，B-MOF）作为前驱体，通过简单的水热和碳化方法直接合成了多孔CoFe₂O₄纳米颗粒用于微生物燃料电池的阳极电催化剂。性能测试表明：相较于纯碳布阳极，经CoFe₂O₄纳米颗粒修饰碳布后，阳极电化学性能、表面的生物膜浓度及活性得到明显提升，进而强化了胞外电子传递过程及MFC产电性能。经CoFe₂O₄修饰的碳布阳极MFC的最大输出功率可达1026.675 mW•m⁻²，约是纯碳布阳极的3.4倍。产电性能提升的原因主要归因于以下几点：（i）经CoFe₂O₄修饰后，碳布阳极的表面变得粗糙、比表面积增加，更有利于生物膜的形成，进而提高总产电量；（ii）双金属协同机制赋予了CoFe₂O₄优异的循环稳定性，更有利于MFC的长期运行。另外，多价态金属阳离子（Co³⁺/Co²⁺，Fe³⁺/Fe²⁺）的变化合价特性，可用于调控胞外电子传递和信息交换过程，进而提高MFC的产电性能；（iii）引入CoFe₂O₄后，碳布表面可形成带正电荷的活性位点，可以快速附着更多的电负性微生物，有利于降低界面内阻，提升阳极的界面性能。

3 本文要点

要点一：多孔CoFe₂O₄阳极催化剂的制备示意图

图1 制备B-MOF衍生的多孔CoFe₂O₄纳米颗粒的示意图

要点二：B-MOF衍生的多孔CoFe₂O₄纳米颗粒的形貌结构分析

图2 （a）MOF-74-Co/Fe;（b）CoFe₂O₄纳米颗粒;（c）未碳化的MOF-74/ CoFe₂O₄@CC（插图为放大的MOF-74-Co/Fe）;（d） MOF-74/ CoFe₂O₄@CC的SEM图像;（e）MOF-74/ CoFe₂O₄@CC的EDS图像；（f）XRD图谱; CoFe₂O₄的（g）透射电镜图像（插图为HR-TEM图像），（h）SAED图谱。

要点三：CoFe₂O₄纳米颗粒修饰阳极后微生物燃料电池的产电性能

图3 （a）输出电压曲线;（b）极化和功率密度曲线;（c）最大功率密度比较，材料1和2分别为MOF-74/CoFe₂O₄-CC和MOF-74/CoFe₂O₄@CC;（d）COD去除率和CE；（e）CV曲线；（f）不同材料作为微生物燃料电池阳极的比电容。

要点四：CoFe₂O₄纳米颗粒阳极材料生物膜结构及电子传输过程

图4 阳极生物膜的CLSM图像：（a）CC，（b）MOF-74/ CoFe₂O₄-CC，（c）MOF-74/ CoFe₂O₄@CC;阳极生物膜的SEM图像（d）CC，（e）MOF-74/ CoFe₂O₄-CC，（f）MOF-74/ CoFe₂O₄@CC;（g）MOF-74/ CoFe₂O₄-CC在运行一段时间后的EDS图像;（h）阳极和细菌之间的电子传输过程。

4 结论

本研究以双金属有机框架为前驱体合成CoFe₂O₄电催化剂修饰碳布作为微生物燃料电池的阳极，提高了阳极的电化学性能及MFC的产电和污染物去除性能。本研究介绍了一种制备高效阳极电催化剂的方法，提高了微生物燃料电池的整体性能。

5 作者简介

本研究的第一作者为北京科技大学博士生任婷莉，师从李从举教授，主要研究方向为纳米纤维气凝胶、MOFs材料及微生物燃料电池的设计。

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