微生物燃料電池（MFC）利用微生物作為催化劑將化學能轉化為電能。然而，目前MFC的實際應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-陽極界面處細胞外電子轉移緩慢以及陰極處氧還原反應催化效率低造成的。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）的交聯復合材料，碳化-CTS-MF/rGOtempreture（CCMF/rGOT）的三維（3D）分級多孔陽極。大孔陽極為產電原和3D電子轉移途徑提供了生物相容性表面。此外，石墨-N和吡咯-N含量的適當平衡優化了電導率和活性位點數量，從而協同增強了細胞外電子轉移（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）導電網絡的CCMF1000陽極（10.04 W/m3）和傳統碳布陽極（4.36 W/m3）。此外，陽極在0.69 V的最大工作電壓下穩定運行超過200天，化學需氧量（COD）去除率達到95.4％。這項工作為制備富集放電源和增強EET的獨立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構。(d) 不同陽極的 COD 去除效率（藍色）和庫侖效率（紅色）。
圖7. (a) 啟動期間配備 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 陽極的內表面和外表面進行接種。
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. 陽極內部的細菌附著和直接電子轉移過程。
相關科研成果由哈爾濱工業大學Shaoqin Liu，Yunfeng Qiu等人于2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
