Metal–organic framework derived bio-anode enhances chlorobenzene removal and electricity generation: Special Ru4+/Ru3+-bridged intracellular electron transfer

微生物燃料电池 阳极 化学 化学工程 电子转移 假电容 材料科学 纳米技术 光化学 电极 电化学 超级电容器 工程类 物理化学
作者
Yang Yu,Haoyang Liu,Huachang Jin,Jianmeng Chen,Dongzhi Chen
出处
期刊:Water Research [Elsevier BV]
卷期号:245: 120578-120578 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.watres.2023.120578
摘要

Efficient removal of chlorinated organic contaminants using the microbial fuel cell (MFC) provides a promising strategy to alleviate water pollution and energy crisis. However, bio-degradation is challenged by poor biofilm formation and sluggish intracellular electron transfer, causing unsatisfactory electricity generation. To address those problems, a metal-organic framework derivative, Ru-porous TiO2 (Ru-PT) bio-anode has been artfully designed herein for chlorobenzene removal. The Ru-PT bio-anode not only formed a compact anodic biofilm due to the large specific surface area of PT, but more importantly, it introduced special pseudocapacitance-enhanced intracellular electron transfer by slowly implanting Ru4+/Ru3+ redox pair into bacteria. Such a Ru4+/Ru3+ implantation was then found to directionally induce the enrichment of a dual-functional genus (degrader & exoelectrogen), Pseudomonas, thereby enhancing the conversion of bio-refractory chlorophenols towards biodegradable carboxylic acids. These features allowed our MFC to have a resilient chlorobenzene removal and accompanied satisfactory electricity generation, with power density, coulombic efficiency, and turnover frequency reaching 662 mW m-2, 8.7%, and 386,622 s-1, which outcompeted those of other MFCs reported. Further, benefiting from the reversible pseudocapacitance, the Ru-PT bio-anode intriguingly functioned as an internal capacitor for electricity storage. This work provided important insights into cost-effective bio-anode development and offered an avenue for engineering MFC.
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