金属有机框架纳米材料的制备及其微生物燃料电池应用

Microbial fuel cells (MFCs), which convert the chemical energy of organic matter such as carbohydrate and organic acids to electricity directly using microorganisms, have received specific attention because of their dual benefit: utilizing wastewater or complex solid waste as fuel to produce electrical power as well as reducing the biochemical oxygen demand (BOD) loading of the wastewater with lower greenhouse emissions. In terms of energy balance, MFCs are able to convert about 50~90 % of energy from oxidation of organic matters directly to electricity. Unfortunately, the power density of the MFCs at present is significantly lower than the theoretical value. The observed low power should originate from current technical limitations such as the difficult electron transfer between the bacteria and the electrode, etc. The electron transfer between the bacteria and the electrode depends strongly on the microstructure, composition and physiochemical properties of the electrode. Therefore, novel material and structure design about the anodes are highly desirable in order to further improve MFCs performance and life durability for practical application. In this study, we suggest using monodisperse nanoscale metal organic frameworks as the pyrolytic precursors to develop new carbonized nanoparticles. These nanoscale materials have porous structure, controllable size and shape, the bigger surface-to-volume ratio, good conductivity, tunable structure and function, which could be used as high performance electrocatalysts for oxygen reduction and anode materials of MFCs.

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是以微生物作为催化剂将有机物蕴含的化学能转化为电能，已成为废水净化同步回收能源物质的重要研究方向。MFC具有很高的理论能量转化效率，但目前其输出功率很低，因此如何获取高输出功率的MFC已经成为国际上的研究热点。MFCs利用废水生物产电的效率受微生物胞外电子转移速率制约，而微生物胞外电子转移速率强烈地依赖于电极的微纳结构、化学组成以及物理化学性质等特性,因此通过改进、修饰电极材料或辅助介导材料（如纳米粒子），强化微生物的附着力及电子传递能力等，有望为提升废水处理MFCs产电效率提供新的突破。本项目提出利用金属有机框架化合物（MOF）的大比表面积、好的导电性以及结构和功能可调的优点，通过调控反应条件制备纳米级金属骨架有机化合物，进而通过在不同气氛下的高温热解法获得了新型的非贵金属纳米催化剂，并将其用作微生物燃料电池的阳极和阴极材料

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是以微生物作为驱动有机物降解的催化剂，以废水中的有机物作为燃料，将有机物蕴含的化学能转化为电能，在废水净化的同时实现了能量回收，在污水处理、水源修复等方面具有潜在的应用前景。理论上，MFC具有很高的能量转化效率，理论库伦转化效率高达50-90%，但目前其输出功率很低。MFC输出功率的大小取决于底物降解速率、电子转移速率、外电阻、质子传递速率等。电极材料是影响MFCs产电效率的核心因素。本项目设计与合成了制备了多种纳米尺寸单金属和双金属中心骨架有机化合物，进而采用高温热解法对获得的纳米尺寸金属骨架有机化合物进行热处理获得了微生物燃料电池阳极和阴极材料：（1）设计制备了五类MOF纳米材料，包括常规MOF纳米颗粒（Fe，Zn，Cu，Ni，FeZn，具有不同化学环境的UiO-66系列MOF），导电MOF（Ni，Co，Cu，Mn，Fe），二维超薄MOF纳米片（Ni-BDC，Co-Pc和金属组分和比例可控的NiCo双金属-有机骨架配合物材料），金属氧簇或金纳米簇-MOF复合纳米材料，对其结构以及光/电催化性能进行了详细的表征。（2）研究了MOF及其碳化衍生物对氧还原、氧析出、CO2还原的电催化性能，所制备的纳米材料具有高效的催化性能。（3）研究了MOF和碳化MOF阳极材料化学组成及物化性质对微生物种群及代谢途径的影响，所制备的材料均能够实现产电微生物的快速黏附、电活性微生物的选择性快速富集、高效的功率输出以及有机物去除。（4）制备了系列MOF及其衍生材料的MFC阳极材料，所制备的MFC功率密度较碳布阳极提高了40%以上，最高功率密度可达3.88W/m2，COD去除效率为98.3%，去除速度为493mg/(L*d)。.获得国家自然科学奖二等奖一项，在国际核心期刊发表文章9篇，其中包括《Advanced Materials》2篇，《Nano Research》2篇，授权专利1个，申请专利1个。培养从事MFC研究和应用工作的青年技术骨干22人，其中包括博士毕业生6名，硕士毕业生4名。