成果简介
微生物燃料电池（MFC）得益于阳极中铁的引入，因为铁的多价态和高电子催化活性提高了 MFC 的功率密度。然而，Fe3+长期释放到电解质中对 MFC 功率密度的影响往往被忽视。本文，天津大学冯奕钰 教授、封伟教授团队在《SmartMat》期刊发表名为“High-power microbial-fuel-based hybrid cells with three-dimensional graphene-coated iron foam as an anode control Fe3+ release”的论文，研究提出制备了一种阳极，它由均匀涂覆了还原氧化石墨烯的三维铁泡沫（rGO/IF）组成，具有合适的装载密度（8 g/m2）和较大的比表面积（0.05 m2/g），可用于高密度细菌装载。
基于rGO/IF阳极的混合电池显示出5330±7 mW/m2 的最大功率密度，这是由 MFC 和电化学电池贡献的。rGO/IF 阳极能够在电化学电池放电过程中持续释放 Fe3+，从而在电解液中产生高电子催化活性。因此，混合电池在四个周期后的功率密度达到 2107 ± 64 mW/m2，这得益于电解液中 Fe3+和Fe2+的可逆转换，从而加快了电子转移效率。结果表明，通过优化电解液中Fe3+的释放速率，rGO/IF 阳极可用于设计和制造高功率 MFC。
图文导读
图1、由微生物燃料电池和原电池组件组成的混合系统示意图。
图2、不同rGO负载密度的离子泡沫的扫描电子显微镜（SEM）图像
图3、（A） 用于重复循环测试的 H 电池输出电压与时间曲线。（B）不同负极材料H细胞的BCA蛋白检测结果。细菌的生物扫描电子显微镜：（C）IF阳极和（D）rGO/IF-2阳极。（E） IF和rGO/IF-2的奈奎斯特图。（F） 功率密度与以往研究的比较，
图4、(A) 无 MR-1 的 G 型电池测试：五种不同阳极材料的电压与时间关系。(B) rGO/IF-2 在长期运行前后的应力-应变曲线。长期测试中随时间变化的 Fe2+ 和 Fe3+ 浓度：(C) 装有 rGO/IF-2 的 G 型电池和 (D) 装有 rGO/IF-2 的 H 型电池。
小结
我们利用均匀涂覆 rGO 的铁泡沫制备了三维 rGO/IF 阳极。在这种阳极的基础上，铁离子可用作电子介质，并建立了一种结合了 MFC 和电镀电池组件的混合电池。混合电池的最大功率密度为 5330 ± 76 mW/m2，由 MFC 和电镀电池组件贡献，循环四次后的功率密度为 2107 ± 64 mW/m2。这种出色的能量输出主要是通过以下两个途径实现的：
（1）通过优化 rGO 负载密度，避免铁泡沫与细菌/电解质直接接触，控制铁离子的释放率，确保其持续释放到阳极电解质中。这种阳极具有合适的负载密度（8 g/m2）和较大的比表面积（0.05 m2/g），可实现高密度细菌负载和低 Rct（6.7 Ω），从而实现快速 EET。
(2) 阳极电解液中 Fe3+ 和 Fe2+ 的浓度在每个循环中的变化趋势大致相反，反映了 Fe3+ 和 Fe2+ 之间的可逆转换。这一过程加快了电子转移的效率，有利于提高 MFC 的性能。
因此，rGO/IF 是一种很有前景的 MFC 阳极材料。它为实现具有高电子转移率的高功率输出 MFC 提供了一种创新方法。还需要进一步研究探索其他包层材料和方法，以满足实际应用中对低成本、大规模集成和持久稳定性的需求。
文献：https://doi.org/10.1002/smm2.1267
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