Boosting bioelectricity generation using three-dimensional nitrogen-doped macroporous carbons as freestanding anode

材料科学 微生物燃料电池 阳极 胞外聚合物 碳纤维 热解 功率密度 化学工程 电极 生物膜 复合材料 遗传学 细菌 复合数 生物 量子力学 物理 工程类 物理化学 化学 功率(物理)
作者
Jinzhi Sun,Ruiwen Wang,Huidong Li,Lu Zhang,Shaoqin Liu
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier]
卷期号:33: 101273-101273
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2023.101273
摘要

Microbial fuel cells (MFCs) have been shown as a promising technology for sustainable energy production and wastewater treatment. However, the still relatively insignificant power generation and high costs of MFCs limit its large-scale application. Herein, we report a facile and low-cost route to construct nitrogen-doped 3D macroporous carbon (NPVP-RFC) via pyrolysis of self-assembled structure of cross-linked resorcinol–formaldehyde resin (RF), polyvinyl pyrrolidone (PVP) and dicyandiamide (DCDA). The as-prepared NPVP-RFC material provides a large specific surface area for high-density loading of bacteria. Moreover, the incorporation of active N species into carbon frameworks offers a hydrophilic surface with good electrolyte wettability and increased conductivity for promoting biofilm adhesion and enhancing extracellular electron transfer (EET) process, thus enabling a high-power output. Thus, the NPVP-RFC MFCs achieve fast start-up time of 2.9 days and maximum volumetric power density of 9.23 W/m3 at 21.48 A/m3. Notably, the NPVP-RFC MFCs show good and stable performance for beer brewery wastewater treatment, achieving a maximum volumetric power density of 6.38 W/m3, chemical oxygen demand (COD) removal efficiency of 84.83%, and a columbic efficiency of 35.57%. This work provides a facile and low-cost synthesis technique for fabricating high-performance MFC anodes for use in microbial energy harvesting.
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