北京科技大学Congju Li课题组–碳纳米纤维负载石墨烯锚定二硫化钼阳极电催化剂强化微生物燃料电池产电

生物膜和阳极之间的弱生物膜定植和缓慢的细胞外电子转移 (EET) 是微生物燃料电池 (MFC) 实现高功率密度的主要障碍。使用高效电催化剂调整阳极的界面特性被认为是克服这些限制的可行策略。在这项研究中，通过静电纺丝、热解、冷冻-制备了一种新型三维阳极电催化剂，由碳纳米纤维 (CNF) 和还原氧化石墨烯 (rGO) 组成，干燥法和水热法用于模板化 MoS₂纳米花 (rGO/CNF@MoS2) 的生长。生成的互连 rGO/CNF@MoS2 支架提供了明显更粗糙的表面、较大的电化学表面积、良好的导电性和丰富的电活性位点，这有利于生物膜的粘附和活力，并提高了 EET 效率。因此，配备 rGO/CNF@MoS2 改性阳极的 MFC 在 8220 mA m^-2 的电流密度下实现了3584 mW m^-2 的出色功率密度，这明显高于包含 rGO/CNF-改性（2992 mW m⁻²）、CNF@MoS2 改性（2560 mW m⁻²）和纯碳布（805 mW m⁻²）阳极。考虑到其易于制造、在生物膜中具有出色的电催化活性和高发电能力，开发的 rGO/CNF@MoS₂ 电催化剂显示出作为实现高 MFC 性能的理想阳极电催化剂的巨大潜力。

Fig 1.(a) 合成程序示意图。(b) PAN/PVP 薄膜、(c) CNF、(d) rGO/CNF 和 (e) rGO/CNF@MoS₂的SEM 图像。(f)TEM和(g) rGO/CNF@MoS₂的 HRTEM图像以(h)相应的SAED图案。(i–m) rGO/CNF@MoS₂中Mo、S、C和N的EDX元素映射。

Fig 2.(a) 所有阳极的拉曼光谱。(b) rGO/CNF@MoS₂ 电催化剂的 XPS 概览光谱和 (c) C 1s、(d) Mo 3d、(e) S 2p 和 (f) N 1s 的相应解卷积峰。所有准备好的阳极的电化学测量：（g）CV 曲线，（h）比电容值，（i）奈奎斯特曲线（插图是等效电路）。

Fig 3.配备不同阳极的 MFC 的性能：(a) 电池电压输出，(b) LSV 曲线，(c) 功率密度和极化曲线，(d) 稳定生物膜形成后的 CV 曲线，(e) EIS 曲线，(f) COD去除效率和库仑效率，（g）为电气设备供电的 MFC 的数码照片。

Fig 4.在（a和a’）CC、（b和b’）rGO/CNF、（c和c’）CNF@MoS₂和（d和d’）rGO/CNF@MoS₂阳极上生长的生物膜的SEM图像。(e–h)带有生物膜的rGO/CNF@MoS₂阳极的EDX元素图。

Fig 5.(a和b)CC、(c和d) CNF@MoS₂、(e和f) rGO/CNF和(g和h)rGO/CNF@MoS₂阳极生物膜的CLSM图像（包括2D图像和3D图像）。

Fig 6.(a) 门和 (b) 水平的不同阳极样品的微生物群落结构。

Fig 7.提出的 rGO/CNF@MoS₂ 电催化剂阳极性能增强机制。

相关研究工作由北京科技大学Congju Li课题组于2023年在线发表在《Journal of Materials Chemistry A》期刊上，原文：Nanoflower-like MoS₂ anchored on electrospun carbon nanofibers-interpenetrated reduced graphene oxide as microbial fuel cells anode achieving high power density。