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哈爾濱工業(yè)大學(xué)Shaoqin Liu,Yunfeng Qiu等--利用獨(dú)立三維氮摻雜多孔碳陽極提高微生物燃料電池性能
        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

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