Enhanced oxygen reduction upon Ag/Fe co-doped UiO-66-NH2-derived porous carbon as bacteriostatic catalysts in microbial fuel cells

微生物燃料电池 催化作用 阴极 化学工程 电催化剂 材料科学 电解质 多孔性 热解 碳纤维 化学 无机化学 复合数 电极 电化学 复合材料 有机化学 物理化学 工程类 阳极
作者
Kengqiang Zhong,Linzhe Huang,Han Li,Yi Dai,Hongguo Zhang,Ruoyun Yang,Samuel Raj Babu Arulmani,Xianjie Liu,Lei Huang,Jia Yan
出处
期刊:Carbon [Elsevier]
卷期号:183: 62-75 被引量:64
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2021.06.070
摘要

As a promising energy storage/conversion technology, the microbial fuel cell (MFC) is generally restricted by the biofouling on the cathode and the sluggish kinetics of oxygen reduction reaction (ORR). Consequently, developing bacteriostatic and high-performance ORR catalysts is critical for the large-scale application of MFC. Herein, we prepare an electrocatalyst of porous octahedral zirconium-based metal organic framework (MOF) UiO-66-NH2 with dispersed Ag and Fe3C nanoparticles (Ag/Fe–N–C) through a facile impregnation and pyrolysis method for an efficient alkaline and neutral ORR. Systematic experimental results demonstrate that the synergistic effect of Ag and Fe can optimize the d-band center of catalyst to boost the interfacial charge transfer, thus resulting in an increased ORR kinetics. As expected, the catalyst with Ag/Fe–N–C-2:1 exhibits outstanding onset potential (1.01 V vs. RHE) and half-wave potential (0.58 V vs. RHE) in neutral electrolyte, which is comparable to Pt/C catalyst. Meanwhile, Ag/Fe–N–C-2:1 indicates obvious antibacterial activity, inhibiting the biofouling on the cathode surface. The MFC with the Ag/Fe–N–C-2:1 as the cathode catalyst can achieve a maximum power density of 1261.1 ± 24 mW m−3, outperforms the MFC with Pt/C (1087.5 ± 14 mW m−3). In summary, Ag/Fe–N–C-2:1 composite can serve as a feasible alternative cathode catalyst for MFC.
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