本研究由Qinzheng Yang、Siqi Yang、Guangli Liu、Bin Zhou、Xiaodi Yu、Yanshun Yin、Jing Yang和Huazhang Zhao等作者共同完成，分别来自齐鲁工业大学（山东省科学院）生物基材料与绿色造纸国家重点实验室、生物工程系、电子与信息工程学院（物理系）以及北京大学环境工程系。该研究于2021年发表在期刊《Chemosphere》上，论文题目为“Boosting the Anode Performance of Microbial Fuel Cells with a Bacteria-Derived Biological Iron Oxide/Carbon Nanocomposite Catalyst”。

学术背景

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells, MFCs）是一种利用电活性细菌将化学能转化为电能的装置，在可再生能源生产和废水处理领域具有广泛应用前景。然而，MFCs的低功率输出严重限制了其大规模应用。阳极是MFCs中细菌附着和电子转移的关键部位，其材料和活性对能量输出有显著影响。传统的碳纤维电极（如碳布和碳毡）因其高稳定性、低成本和良好的生物相容性而被广泛使用，但其有限的表面积和电催化活性不利于微生物生物膜的形成和电子转移。过渡金属氧化物（如铁氧化物）因其独特的结构和电学性质，被认为是改善MFCs功率输出的潜在电极修饰材料。然而，传统的修饰方法通常会导致铁位点的聚集，从而降低电极的性能。因此，开发一种新的电极修饰方法以提高MFCs的阳极性能具有重要意义。

研究流程

本研究提出了一种通过直接碳化含铁细菌Shewanella来制备生物铁氧化物/碳（Bio-FeOx/C）纳米复合催化剂的方法，并将其应用于MFCs的阳极修饰。具体流程如下：

1. Bio-FeOx/C电极的制备

   • 首先，将Shewanella细菌附着在碳毡（CF）电极上，并在MFCs中运行20天。
   • 随后，将电极在氩气保护下加热至1000°C进行碳化处理，升温速率为30°C/min，并在1000°C下保持1小时。
   • 最后，将电极冷却至室温，得到Bio-FeOx/C电极。

2. 表征实验

   • 使用扫描电子显微镜（SEM）观察Shewanella和Bio-FeOx/C纳米复合材料的微观形貌。
   • 通过X射线光电子能谱（XPS）分析电极表面的化学组成。
   • 使用X射线衍射（XRD）分析Bio-FeOx/C纳米复合材料的晶体结构。

3. MFCs的配置与运行

   • 使用Bio-FeOx/C电极和未修饰的碳毡电极分别配置双室MFCs。
   • 在阳极室中接种Shewanella loihica PV-4菌液，并使用含乳酸钠的M9盐溶液作为阳极液。
   • 记录MFCs的电压输出，并在稳态下测量极化曲线和功率密度曲线。

4. 电化学性能测试

   • 使用循环伏安法（CV）评估Bio-FeOx/C电极的电化学活性。
   • 通过电化学阻抗谱（EIS）分析电极的电荷转移电阻。

5. 生物膜表征

   • 使用SEM观察MFCs运行10天后阳极表面微生物生物膜的形貌。

主要结果

1. Bio-FeOx/C电极的形貌与组成

   • SEM显示，Shewanella细菌在碳化后转化为高度分散的Bio-FeOx/C纳米颗粒，尺寸为500-1500 nm长和300 nm宽。
   • XPS和EDS分析表明，Bio-FeOx/C纳米复合材料中含有碳、氮和铁元素，其中铁的含量在碳化后显著增加。

2. 电化学性能

   • CV曲线显示，Bio-FeOx/C电极的氧化还原峰电流显著高于未修饰的碳毡电极，表明其具有更高的电化学活性。
   • EIS分析表明，Bio-FeOx/C电极的电荷转移电阻（14.2 Ω）远低于未修饰的碳毡电极（55.3 Ω），表明其具有更快的电子转移速率。

3. MFCs的性能

   • 使用Bio-FeOx/C电极的MFCs的最大功率密度为797.0 mW/m²，是未修饰碳毡电极（226.1 mW/m²）的3.5倍。
   • Bio-FeOx/C电极的电流密度在267小时达到峰值1553.3 mA/m²，显著高于未修饰电极的633.5 mA/m²。

4. 生物膜形貌

   • SEM显示，Bio-FeOx/C电极表面形成了厚实的多层生物膜，细菌通过导电纳米线与电极进行长距离电子转移。

结论

本研究通过直接碳化Shewanella细菌制备了一种新型的Bio-FeOx/C纳米复合催化剂，并将其成功应用于MFCs的阳极修饰。该催化剂具有高度分散的铁氧化物和氮掺杂石墨碳结构，显著提高了电极的粗糙度、表面积和电催化活性，并降低了电子转移电阻。实验结果表明，使用Bio-FeOx/C电极的MFCs的功率密度显著提高，为高性能MFCs的制备提供了一种绿色、可持续的新策略。

研究亮点

1. 创新性方法：本研究首次提出通过直接碳化含铁细菌来制备Bio-FeOx/C纳米复合催化剂，为MFCs的阳极修饰提供了一种新颖的方法。
2. 高性能电极：Bio-FeOx/C电极具有高电催化活性和低电荷转移电阻，显著提高了MFCs的功率输出。
3. 绿色可持续：该方法利用天然细菌作为铁前驱体，避免了传统方法中使用的昂贵化学品和复杂工艺，具有较高的环境友好性和经济性。

其他有价值的内容

本研究还通过XPS和XRD分析了Bio-FeOx/C纳米复合材料的化学组成和晶体结构，进一步揭示了其高催化活性的来源。此外，SEM观察到的生物膜形貌为理解Bio-FeOx/C电极的优异性能提供了直观的证据。

本研究为MFCs的阳极修饰提供了一种高效、绿色的新方法，具有重要的科学和应用价值。