Nitrogen-doped carbon nanofibers anchoring Fe nanoparticles as biocompatible anode for boosting extracellular electron transfer in microbial fuel cells

微生物燃料电池 阳极 材料科学 静电纺丝 化学工程 纳米颗粒 电子转移 碳纤维 电化学 纳米技术 电催化剂 电极 化学 复合材料 有机化学 物理化学 工程类 复合数 聚合物
作者
Yuanfeng Liu,Jiaona Wang,Yaxin Sun,Huiyu Li,Zhenyu Zhai,Shiquan Guo,Tingli Ren,Congju Li
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:544: 231890-231890 被引量:42
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2022.231890
摘要

Sluggish extracellular electron transfer (EET) at the anode interface is the major obstacle to achieving satisfactory power density in microbial fuel cells (MFCs). To boost the EET efficiency, herein the anode electrocatalysts, nitrogen-doped carbon nanofibers anchoring Fe nanoparticles (Fe/[email protected], x = 0.5, 1, 3, 5), are rationally designed via electrospinning and calcination process. The morphology and structure characterization indicates that the Fe/[email protected] electrocatalyst presents a porous structure with uniformly distributed Fe nanoparticles on the carbon matrix, which offer a large-accessible surface area for electroactive bacteria habitation along with facilitated EET efficiency. Electrochemical measurements demonstrate that the as-fabricated Fe/[email protected] exhibit excellent electrocatalytic activity for the charge transfer on the anode, endowing the cell with a maximum power density of 1873.8 mW m−2, which is 1.8 and 3.6 times higher than that of [email protected] (1039.2 mW m−2) and carbon cloth (519.8 mW m−2). The outstanding performance of Fe/[email protected] can be attributed to the increased electronic conductivity of carbon matrix with melamine additives, the enriched electroactive bacteria as demonstrated by high-throughput sequencing, and the released positively charged iron mediators to promote EET efficiency. This investigation introduces an effective method of constructing high-efficient anode electrocatalysts for enhancing the output MFCs performance.
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