微生物燃料电池（MFC）利用微生物作为催化剂将化学能转化为电能。然而，目前MFC的实际应用受到功率输出低的阻碍，这是由于阳极上微生物定植不足、微生物-阳极界面处细胞外电子转移缓慢以及阴极处氧还原反应催化效率低造成的。在此，通过热解三聚氰胺甲醛树脂（MF）、壳聚糖（CTS）和氧化石墨烯（GO）的交联复合材料，碳化-CTS-MF/rGOtempreture（CCMF/rGOT）的三维（3D）分级多孔阳极。大孔阳极为产电原和3D电子转移途径提供了生物相容性表面。此外，石墨-N和吡咯-N含量的适当平衡优化了电导率和活性位点数量，从而协同增强了细胞外电子转移（EET）效率。因此，CCMF/rGO1000阳极的功率密度为11.28 W/m3，超过了没有3D还原氧化石墨烯（rGO）导电网络的CCMF1000阳极（10.04 W/m3）和传统碳布阳极（4.36 W/m3）。此外，阳极在0.69 V的最大工作电压下稳定运行超过200天，化学需氧量（COD）去除率达到95.4％。这项工作为制备富集放电源和增强EET的独立3D阳极以改善MFC性能提供了一种有前途的策略。
 
 
图 1. CCMF/rGOT 制造过程示意图。
 
 
图 2. (a)CCMF/rGO800、(b)CCMF/rGO900 和 (c)CCMF/rGO1000 的 SEM 图像，插图显示不同材料的孔径。(d)XRD 图案，(e)拉曼光谱，(f)CCMF/rGO800、CCMF/rGO900 和 CCMF/rGO1000 的 XPS 光谱。
 
 
图3. (a) CCMF/rGO800、(b) CCMF/rGO900 和 (c) CCMF/rGO1000 的 N 1 s 光谱。
 
 
图 4. （a）CCMF/rGO800、CCMF/rGO900 和 CCMF/rGO1000 的氮吸附/解吸等温线。（b）来自 BJH 模型的相应孔径分布。
 
 
图5. (a) 接种前 CC、CCMF/rGO800、CCMF/rGO900 和 CCMF/rGO1000 的奈奎斯特图。(b) 放大的奈奎斯特图。
 
 
图 6. (a) CC、CCMF/rGO800、CCMF/rGO900 和 CCMF/rGO1000 阳极的长期 V-t 曲线。(b) 不同阳极的电压和功率密度。(c) 不同阳极生物膜的微生物群落结构。(d) 不同阳极的 COD 去除效率（蓝色）和库仑效率（红色）。
 
 
图7. (a) 启动期间配备 CC、CCMF/rGO800、CCMF/rGO900 和 CCMF/rGO1000 阳极的 MFC 的电压输出。(b) 阳极液中不同阳极生物膜的奈奎斯特图。(c) 周转条件下不同阳极的 CV 和 (d) DPV 曲线。
 
 
图 8. 不同阳极的 SEM 图像，分别为（a 和 e）CC、（b 和 f）CCMF/rGO800、（c 和 g）CCMF/rGO900、（d 和 h）CCMF/rGO1000 阳极的内表面和外表面进行接种。
 
 
图 9. 分别为（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 图像。
 
 
图10. 阳极内部的细菌附着和直接电子转移过程。
 
        相关科研成果由哈尔滨工业大学Shaoqin Liu，Yunfeng Qiu等人于2024年发表在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
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156807

转自《石墨烯研究》公众号