中山大学卢锡洪教授Chem. Eur. J. ：具有协同活性增强效应的Mo2C/RGO助力高性能微生物燃料电池

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中山大学卢锡洪课题组最近报道了一种具有协同活性增强效应的新型Mo₂C/RGO复合材料。与纯Mo₂C和RGO材料相比，具有协同效应的Mo₂C/RGO材料拥有更高的电催化活性和生物相容性。当作为微生物燃料电池阳极时，Mo₂C/RGO材料可显著提升器件的能量转换效率。

图1(a-f) 不同材料的SEM和HRTEM 图。其中 （a-c）RGO的SEM和TEM, (d) RGO的 SAED, (e) Mo₂C的 SEM, (f) Mo₂C的HRTEM图, (g) Mo₂C中不同元素的HAADF-STEM 和mapping。

图2 a）不同阳极MFC在恒负载1kΩ下的电压随着时间的变化曲线；（b-c）周期运行实验后的b)空白碳纸，c）Mo₂C/RGO 复合材料阳极的SEM图；（d） Mo₂C/RGO 复合材料上的生物膜形成示意图。

微生物燃料电池（Microbial fuel cells） 简称MFCs，是一种利用微生物为催化剂，把水中的有机物分解并产生电能的新型装置。MFCs具有污水净化和能量回收的双重功效，成为近年来环境和能源领域的研究热点之一。而在MFCs中，阳极材料起到了至关重要的作用。然而，目前较低的输出功率密度限制了MFCs进一步的应用，开发廉价高效的阳极材料迫在眉睫。对于阳极材料来说，提高电子转移效率，是提升其性能的重要策略之一。MFCs中的电子传递机制主要有以下几种：一是利用电子中介体把微生物细胞内产生的电子转移到电极上；二是微生物催化剂与电极表面紧密接触，燃料在电极上氧化后产生的电子直接通过产电菌外腹上的细胞色素Ｃ或者菌毛转移到电极上；三是具有电催化性能的阳极材料可以直接在阳极上催化氧化微生物发酵产生的小分子有机物。因此，开发新型阳极材料，同时促进多种机制下的电子传递效率具有重要意义。

近日，中山大学卢锡洪课题组及合作者近来在碳纸基底上开发了一种新型的Mo₂C/RGO（还原氧化石墨烯）复合材料，其中，Mo₂C具有优异的电催化性能、粗糙的表面及纳米多孔结构，与石墨烯良好的导电性及生物相容性进行协同增强，可显著促进三维生物膜的形成，提高材料的电子转移效率。基于Mo₂C/RGO碳纸阳极的MFC的最大功率密度为1747±37.6 mWm⁻²，是空白碳纸对照电池的1.88倍（926.8±6.3mW m⁻²）。此外，含有复合材料的MFC的周期实验数据表明，电池的库伦效率在第三个周期明显增大，含有6mg cm⁻²的Mo₂C/RGO高达13.2%，是空白碳纸对照电池的平均库伦效率(1.2%)的11倍。这种通过设计阳极结构及组分增强微生物催化剂与电极之间的电子传递的策略为构建廉价高效的MFC阳极材料提供了新思路。

原文链接
https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/chem.202005020

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