Fe 0.64Ni 0.36（质量百分比）的纳米颗粒被封装在碳纳米管中，作为高效的阳极催化剂，应用于生物能源收集系统以提升发电效率

《Renewable Energy》：Fe 0.64Ni 0.36 nanoparticles encapsulated in carbon nanotubes as efficient anodic catalyst applied to bioenergy harvesting system for enhanced power generation

微生物燃料电池（MFC）通过Fe0.64Ni0.36@CNT阳极催化剂的制备，显著提升功率密度至4.88 W/m2。该材料通过两步热解法实现，碳纳米管封装有效抑制合金纳米颗粒团聚并增强导电性，同时促进以Desulfobacter为代表的电活性菌群富集，DFT计算揭示了H2S代谢途径对电子传递效率的提升机制。大规模制备为生物能源系统商业化奠定基础。

　　微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）因其能够从有机物中提取可再生能源的潜力而受到广泛关注。然而，目前MFC在大规模应用中仍面临诸多挑战，例如电力供应不稳定、输出功率较低以及成本高昂等问题。这些问题严重制约了MFC在实际能源生产中的推广。为了解决这些问题，研究人员开发了一种新型的阳极催化剂——铁镍合金纳米颗粒（Fe?.??Ni?.??）封装在碳纳米管（CNT）中的复合材料（Fe?.??Ni?.??@CNT）。该材料通过简单的两步热解法合成，具有优异的导电性和生物电催化活性，从而显著提升了MFC的性能。在本研究中，该阳极材料被用于MFC，使其最大功率密度达到4.88 W/m2，同时还能为温度传感器提供连续的电力供应，展现出良好的应用前景。

MFC作为一种环境友好的能量转换装置，能够将有机物中的化学能转化为电能，这一过程依赖于电活性微生物的代谢反应。近年来，随着对可再生能源需求的增加，MFC的研究也逐渐深入。然而，MFC在实际应用中仍然存在多个技术障碍，例如能量供应的不稳定性、输出功率的不足以及阳极材料的生物相容性有限等问题。这些因素共同影响了MFC的广泛应用。其中，阳极材料在MFC系统中起着至关重要的作用，因为其不仅影响电子转移效率，还决定了微生物在阳极表面的附着能力。因此，提高阳极材料的电化学活性是推动MFC发电能力提升的关键。

理想的阳极材料应具备良好的导电性、生物相容性、化学稳定性、较大的比表面积以及适合微生物附着的三维结构。近年来，碳基材料因其优异的导电性被广泛用于MFC阳极，如碳纸、碳布、碳毡、碳刷和石墨板等。然而，这些材料在性能上仍与高效率MFC阳极的标准存在一定差距，尤其是在微生物附着能力和电子转移效率方面。因此，基于碳基材料的阳极改性设计成为提升MFC性能的一种可行策略。

过渡金属基材料因其出色的电化学性能而被广泛研究为高效的电催化剂。例如，铂（Pt）、铱（Ir）、钯（Pd）、镍（Ni）、铁（Fe）以及多种相关金属合金已被证明能够通过降低电子转移的活化能阈值，促进微生物与电极之间的电子交换，从而提升阳极的电催化活性和MFC的整体电化学性能。然而，贵金属基材料由于成本高昂，限制了其在大规模应用中的可行性。相比之下，铁和镍因其丰富的资源、良好的导电性和较低的成本，被认为更适合用于MFC的阳极材料。值得注意的是，铁的存在能够促进外电子供体（exoelectrogens）的活性，这对外部供体在MFC中的作用至关重要。此外，镍掺杂的碳基电极可以作为稳定的支持催化剂和导体，进一步提升MFC的效率。

为了克服传统阳极材料在生物相容性和电子转移效率方面的不足，研究人员采用了多种改性策略。其中，通过电沉积技术在不同碳基阳极上负载铁纳米颗粒及其氧化物层，已被证明能够提高有机物的降解速率和微生物在阳极表面的附着能力，从而显著提升MFC的输出功率。类似地，一些研究采用多尺度结构的碳纤维（CF）与纳米纤维（CNF）复合材料，其中掺杂镍纳米颗粒的结构对电子转移过程具有显著的促进作用。随着对阳极电催化剂研究的深入，与单金属催化剂相比，双金属催化剂由于其协同效应（包括几何效应、电子结构效应和稳定效应）表现出更好的催化活性和耐久性。然而，多金属催化剂的制备过程更为复杂，成本相对较高，这在大规模实际应用中带来了一定的困难。

为了进一步提高阳极材料的性能，研究人员还采用了将催化剂纳米颗粒封装在碳基材料中的策略，以防止其与阳极液（anolyte）直接接触导致的腐蚀。这种封装方法不仅能有效保护催化剂纳米颗粒，还能避免其在使用过程中的聚集，从而确保其催化活性的有效性和长期稳定性。此外，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为一种常见的碳基功能材料前驱体，能够在特定温度范围内从硬而脆的状态转变为柔软而弹性的状态。这种特性使得PVP在碳基复合材料的制备过程中能够更容易地构建多种微观结构。然而，在碳热还原过程中，PVP衍生的碳框架虽然能有效抑制合金纳米颗粒的聚集，但仍会在一定程度上降低复合材料的导电性。

为了解决这一问题，研究人员采用了原位生长碳纳米管（CNT）在碳基材料上的策略。通过这种方法，将纳米颗粒限制在空心的CNT中，不仅能够提高其质量传递效率和固有导电性，还能增加其比表面积。这种结构设计为MFC提供了更高效的电催化环境，从而提升了其整体性能。此外，研究还通过密度泛函理论（DFT）计算分析了Fe?.??Ni?.??@CNT与微生物电子转移过程之间的相互作用，进一步揭示了其在提升电子转移效率方面的潜力。

在本研究中，Fe?.??Ni?.??@CNT作为高效的阳极催化剂被首次应用于MFC中，显著提升了其性能。该材料的合成过程简单且周期短，为大规模生产提供了便利。研究结果显示，采用Fe?.??Ni?.??@CNT/CF阳极的MFC表现出优异的输出功率，同时在阳极生物膜中形成了以变形菌门（Desulfobacterota）为主的电活性功能微生物群落。这表明，Fe?.??Ni?.??@CNT不仅能够促进微生物的附着，还能优化其代谢路径，从而提升MFC的发电效率。

通过大规模制备Fe?.??Ni?.??@CNT/CF复合材料，研究团队构建了一个高效的MFC系统，成功为生物能量收集装置提供了连续的电力供应。这一成果进一步提升了MFC阳极电催化剂的可行性，使其在未来的商业化应用中更具前景。此外，研究还强调了该材料在实际应用中的优势，包括其良好的导电性、生物相容性和长期稳定性，以及其在提高微生物电子转移效率方面的潜力。这些特性使得Fe?.??Ni?.??@CNT成为一种有希望的阳极材料，能够推动MFC技术的发展和应用。

为了进一步验证Fe?.??Ni?.??@CNT的性能，研究人员对其进行了详细的表征分析。X射线衍射（XRD）分析显示，不同复合材料的晶体相结构能够被有效识别。结果表明，Fe?.??Ni?.??@CNT和Fe?.??Ni?.??@C的衍射峰分别对应于Fe?.??Ni?.??的面心立方结构（PDF#47–1405）以及零价金属Fe和Ni的存在（PDF#85–1410和PDF#87–0712）。这些结果进一步证实了Fe?.??Ni?.??@CNT在结构上的优势，以及其在提升MFC性能方面的潜力。

此外，研究还通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对Fe?.??Ni?.??@CNT的微观结构进行了分析。结果显示，Fe?.??Ni?.??纳米颗粒均匀分布在CNT的内部，形成了一种稳定的三维结构，这有助于提高微生物的附着能力和电子转移效率。同时，XRD和SEM/TEM分析还揭示了Fe?.??Ni?.??@CNT在物理和化学性质上的优势，使其在MFC系统中具有良好的应用前景。

为了进一步评估Fe?.??Ni?.??@CNT的性能，研究团队还进行了电化学测试，包括循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）。结果表明，Fe?.??Ni?.??@CNT/CF阳极表现出优异的电化学活性，其电流密度和功率密度均显著高于传统阳极材料。这表明，Fe?.??Ni?.??@CNT在提升MFC性能方面具有显著优势。同时，电化学测试还揭示了该材料在提升电子转移效率方面的潜力，使其能够更有效地促进微生物的代谢反应，从而提高MFC的发电效率。

综上所述，本研究成功合成了一种新型的阳极催化剂——Fe?.??Ni?.??@CNT，并将其应用于MFC中，显著提升了其性能。该材料不仅具有良好的导电性和生物相容性，还能有效抑制纳米颗粒的聚集，提高其长期稳定性。此外，通过DFT计算分析，研究还揭示了Fe?.??Ni?.??@CNT在提升微生物电子转移效率方面的潜力，为MFC技术的发展提供了新的思路。最终，通过大规模制备Fe?.??Ni?.??@CNT/CF复合材料，研究团队构建了一个高效的MFC系统，成功为生物能量收集装置提供了连续的电力供应。这一成果不仅提升了MFC阳极电催化剂的可行性，也为未来的商业化应用奠定了基础。