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 – 材料牛
【研究背景】
微生物燃料电池（MFC）作为一种新型的北科生物电化学器件，可以利用电活性细菌从废水中存在的碳纳有机污染物中获取电能，被认为是米纤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维混物膜微生物燃成就，但相对较低的合生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增强阳极材料被认为是影响MFC整体性能的主要区域。因此，料电料牛设计先进的池性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。北科
【文章简介】
基于此，碳纳北京科技大学李从举教授的米纤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维混物膜微生物燃多孔结构、大比表面积、合生和自支撑的增强特性，研究了利用静电纺丝技术与抽滤技术制备的料电料牛取向碳纳米纤维-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。