北京科技大学李从举教授，ACB：电纺纳米纤维支撑的MOFs模板介导LDHs实现微生物燃料电池ORR高效催化- 大数跨境

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北京科技大学李从举教授，ACB：电纺纳米纤维支撑的MOFs模板介导LDHs实现微生物燃料电池ORR高效催化

科学材料站

2022-01-31

导读：本文通过模板介导的生长方法将纳米纤维表面的MOFs转换成更稳定、导电性更好的层状双氢氧化物（LDHs）纳米花-枝结构

文章信息

衍生自电纺碳纳米纤维的纳米花-枝LDHs和CoNi合金用于微生物燃料电池中的高效ORR电催化

第一作者：李惠雨

通讯作者：李从举*

单位：北京科技大学

研究背景

为了实现未来的“碳中和”和“碳峰”，开发可替代化石能源的清洁低碳安全高效的能源技术越来越重要。微生物燃料电池（MFC）能通过微生物将废水和其他有机废物中的化学能转化为电能，为同时解决能源危机和水污染问题提供了可能的解决方案。然而MFC阴极反应通常慢于阳极，在阴极表面堆积的电子极大程度限制了燃料电池的能量转换效率和产电性能。因此，在MFC阴极添加高活性和耐久性的电催化剂用于加速阴极氧还原反应(ORR)是非常必要的。

由金属有机框架材料（MOFs）衍生的碳纳米材料，特别是杂原子掺杂的MOFs，具有高表面积，高化学稳定性和可调节的结构，显示出了电催化反应的前景。然而在高碳化温度下，MOFs通常容易坍塌并聚集，导致孔隙结构被破坏，比表面积减少，这大大降低了其电化学性能。为克服这些缺点，利用支撑基底构建MOF装饰的高导电网络框架对于燃料电池催化剂的发展具有重要意义。

文章简介

基于此，来自北京科技大学的博士生李惠雨在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental发表题为“Nanoflower-branch LDHs and CoNi alloy derived from electrospun carbon nanofibers for efficient oxygen electrocatalysis in microbial fuel cells”文章。

作者通过模板介导的生长方法将纳米纤维表面的MOFs转换成更稳定、导电性更好的层状双氢氧化物（LDHs）纳米花-枝结构，经高温煅烧成功制备出具有大比表面积和丰富的CoNi合金活性位点的ORR催化剂（CoNi-LDH@CNFs），并将其成功应用于MFC阴极，获得高输出功率。

图1 纳米纤维衍生的ORR催化剂在MFC阴极的应用

本文要点

要点一：将原位生长在PAN表面的ZIF框架剥离为LDHs纳米片

首先通过原位生长的方法在PAN纳米纤维表面生长ZIF67颗粒。由致密均匀的MOFs 包覆的纳米纤维相互连接，为后续形貌可控的 LDHs 均匀共沉淀提供了3D模板。在添加硝酸镍后，Ni 离子水解产生的质子H+可以化学蚀刻 ZIF-67 骨架，从而将十二面体的MOFs表面剥离为LDHs纳米片。

经过高温退火后材料仍保持完整的以PAN为支撑基底的纳米花-枝结构，能够为电催化剂和电解液提供足够的接触面积。同时CoNi合金颗粒均匀的分散在材料表面，为氧还原反应提供大量活性位点。

图2 CoNi-LDH@CNFs的合成示意图

图3 (a)电纺纳米纤维CNFs, (b)-(c) ZIF67@PAN, (d)-(f) CoNi-LDH@PAN, (g)-(i)碳化后CoNi-LDH@CNFs。

要点二：在微生物燃料电池中实现高输出功率

使用CoNi-LDH@CNFs作为催化剂的MFC能够产生的最大输出功率和COD去除率分别可以达到1390.37mW/m2和62.69%，性能明显优于使用商用20 wt% Pt/C催化剂的MFC对照组。表明使用CoNi-LDH@CNFs阴极的MFC具有更高效的产电和废水处理能力。

图3 配备不同阴极催化剂的MFC性能对比：（a）循环伏安曲线；（b）EIS的奈奎斯特图（内嵌：等效电路模型）；（c）极化曲线；（d）对相应MFC进出水中COD的影响。

要点三：在微生物燃料电池中具有长期适用性

研究发现碳纳米纤维衍生的催化剂应用于MFCs时能够明显缩短电池的启动时间，并且在运行多个循环周期后仍能保持稳定的输出电压，证实了相应的催化剂具有长期适用性。

图4 使用多种复合催化剂和商业 Pt/C催化剂的MFCs的输出电压-时间曲线。

总之，这项工作在电纺纳米纤维表面以ZIF框架为模板成功剥离出LDHs纳米片，并首次将其应用于微生物燃料电池阴极，获得了高输出功率和长期稳定性。这项工作可以为合成低成本、环保、高效的适用于 MFC 的阴极催化剂提供新的视角。

文章链接

Nanoflower-branch LDHs and CoNi alloy derived from electrospun carbon nanofibers for efficient oxygen electrocatalysis in microbial fuel cells.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121136.

第一作者简介

李惠雨博士

目前在北京科技大学环境科学与工程专业攻读博士学位，师从李从举教授。主要研究方向为纳米纤维及MOF材料的设计与应用。以第一作者在Applied Catalysis B: Environmental、Journal of Power Sources、Bioresource Technology等期刊发表6篇论文。