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Bimetallic CoSn nanoparticles anchored on N-doped carbon as antibacterial oxygen reduction catalysts for microbial fuel cells

双金属片 催化作用 化学 电子转移 双功能 纳米颗粒 氧气 无机化学 化学工程 材料科学 纳米技术 光化学 有机化学 工程类
作者
Liang Li,Zequan Liu,Demin Jiang,Min Song,Yuqiao Wang
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:15 (38): 15739-15748 被引量:12
标识
DOI:10.1039/d3nr03504b
摘要

Sluggish oxygen reduction reaction (ORR) kinetics and biofilm formation limit the power generation and stability of microbial fuel cells (MFCs). Herein, bimetallic CoSn nanoparticles anchored on ZIF-derived N-doped carbon (CoSn@NC) were designed and synthesized as bifunctional catalysts to accelerate the ORR and improve the antibacterial activity. Sn modulated the electronic structure of bimetallic CoSn by drawing electrons from Co. Electron redistribution of CoSn@NC optimized the O2 adsorption at Co sites for rapid ORR kinetics. The up-shifted d-band center of Co sites reduced the energy barrier of the rate-determining step for *O formation, resulting in efficient catalytic activity. Bimetallic CoSn nanoparticles were beneficial for the four-electron transfer process for more ˙OH species production. Sn2+ and ˙OH synergistically improved the antibacterial activity of CoSn@NC to inhibit the growth of the cathode biofilm and accelerate mass-charge transfer. CoSn@NC demonstrated superior oxygen reduction activity with a half-wave potential of 0.84 V and an onset potential of 0.90 V, respectively. The MFCs assembled with the CoSn@NC cathodic catalyst exhibited an excellent power density of 1380 mW m-2 and long-term stability for 105 h. This work provides a strategy for the design of antibacterial ORR catalysts for improved catalytic activity and long-term stability.
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