梧桐果纤维衍生Fe/N共掺杂空心管状催化剂构建及其在微生物燃料电池阴极氧还原反应中的应用

针对微生物燃料电池(MFCs)阴极氧还原反应(ORR)催化剂成本高、性能不足的问题，研究人员以废弃梧桐果纤维(POFFs)为前驱体，通过Fe/N共掺杂和热解法制备了具有空心管状结构的Fe/N/POFF催化剂。该催化剂展现出与商用Pt/C相当的ORR活性（最大功率密度0.452 mW cm?2），且具有更优的稳定性和抗毒性，为开发低成本高性能MFC阴极材料及梧桐果纤维资源化利用提供了创新方案。

　　

每年春夏之交，城市街道旁的梧桐树飘散的果絮常引发环境困扰，这些被称作梧桐果纤维(POFFs)的废弃物化学组成独特（含33.79%纤维素、25.89%木质素），具有天然空心管状结构，却长期缺乏高值化利用途径。与此同时，微生物燃料电池(MFCs)作为可持续能源技术，其阴极氧还原反应(ORR)依赖昂贵的铂基催化剂，成为制约该技术发展的关键瓶颈。针对这两大问题，扬州大学的研究团队在《Materials Today Chemistry》发表创新成果，首次将POFFs转化为高性能Fe/N共掺杂ORR催化剂，实现了环境治理与能源技术的双重突破。

研究采用三步关键方法：首先通过SEM(扫描电子显微镜)表征POFFs的微观形貌（直径20-40 μm的空心管）；其次以FeCl₃和尿素为掺杂源，结合ZnCl₂活化进行高温热解；最后通过旋转圆盘电极测试评估催化剂的ORR性能，并在单室空气阴极MFCs(SCMFCs)中进行实际应用验证。

材料表征
SEM显示Fe/N/POFF保留了POFFs的原始空心管状结构，但表面形成更多缺陷。XPS证实成功构建了Fe-N_x活性位点，这是提升ORR活性的关键。

电化学性能
在0.1 M KOH电解液中，Fe/N/POFF的半波电位仅比Pt/C负移12 mV，电子转移数达3.89，表明其ORR机制接近四电子路径。加速耐久性测试后电流保持率达94.2%，显著优于Pt/C的81.5%。

MFC应用
装载Fe/N/POFF的MFCs最大功率密度达0.452 mW cm^?2，与Pt/C组(0.456 mW cm^?2)无统计学差异。连续运行15天后，电压衰减率比Pt/C组降低37%，且对S^2-等毒物表现出更强耐受性。

该研究通过精准调控Fe/N掺杂比例和热解温度，在生物质碳骨架中构建了高密度Fe-N_x活性中心，同时利用POFFs独特的空心结构促进传质效率。相较于传统生物质催化剂，Fe/N/POFF在保持Pt/C级ORR活性的同时，原料成本降低90%以上。这项成果不仅为MFCs提供了经济高效的阴极解决方案，更开创了城市植物废弃物高值化利用的新范式——每吨POFFs可制备约180克催化剂，理论上能满足500台家用级MFCs的阴极需求。未来通过优化掺杂元素组合（如引入Co、S等），有望进一步提升这类生物质衍生催化剂的性能边界。