纳米多孔阳极材料增强微生物燃料电池新进展

微生物燃料电池(MFC)是一种具有同时实现污水处理和产电双重功能的绿色、可持续能源技术,但是这项技术要实现商业化应用,其功率输出密度有待进一步提高。由于MFC阳极反应同时涉及产电细菌的代谢速率(生物催化)和电极界面电荷传递(电催化)效率,制备高性能的纳米多孔阳极材料同时提高这两个催化反应过程是获得高效MFC性能的最佳策略之一。至今,已有较多研究致力于制备3D大孔的MFC阳极材料以增加细菌催化剂的载量提高比功率密度。但是,这些大孔材料中的纳米孔结构对MFC阳极电催化尤其是电子介体直接电化学的作用还没有研究过。

Energylichangming西南大学洁净能源与先进材料研究院李长明教授研究团队针对这一问题,进行了系统而深入的研究,取得了重要进展。他们通过高温碳化一种细菌纤维素膜的生物材料获得具有多层次孔结构的三维碳纳米纤维材料,并且通过改变碳化温度精细地调节了该材料的纳米孔结构。研究结果表明最优的多孔结构是同时存在丰富的大孔和介孔,其中大孔结构有利于产电细菌(生物催化剂)的生长,介孔结构能够增强电子介体的直接电化学,从而同时实现高效的生物催化和电催化。基于这种多孔阳极碳材料,所构建的MFC输出功率密度高达1747 mW m-2,比传统碳布电极高14倍,并具有很好的稳定性和可重复性,表现出极大的实际应用潜质。最重要的是,通过系统地分析材料的孔径分布和电子介体分子的尺寸与电活性位点,首次阐明了介孔结构在显著增强电子介体直接电化学行为的独特机制,为后续开发高性能的MFC阳极材料提供了新的思路。相关研究结果在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201501535)。