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为解决 BEF 系统电极材料优化及新兴污染物处理问题，研究人员开展 Ni/Co-BTC MOF 修饰电极用于 BEF 系统降解双酚 S 并发电的研究。结果显示该系统性能优异，此研究为废水处理和能源回收提供新思路，值得一读。
微生物电化学系统的新突破：高效降解双酚 S 并发电
在当今科技飞速发展的时代，废水处理和能源回收一直是科学界和环保领域关注的焦点。传统的废水处理方法往往效率不高，而且在处理过程中还可能带来二次污染等问题。与此同时，随着人们对清洁能源的需求日益增长，寻找一种既能有效处理废水，又能产生清洁能源的技术，成为了科研人员们努力的方向。
在众多的研究方向中，生物电化学系统（BES）脱颖而出，它就像是一个神奇的 “魔法盒子”，能把废水中的化学能转化为电能、氢气等有价值的物质。在这个 “魔法盒子” 里，微生物起着关键的作用，它们就像是一群勤劳的 “小工匠”，通过氧化有机碳材料，产生电子，这些电子可以被收集起来用于发电，或者用来还原和回收金属。但是，这个 “魔法盒子” 也有一些小烦恼，比如在去除新兴污染物、药物化合物和其他持久性有机污染物方面，效率还不够高。
为了解决这些问题，科研人员想到了一个好办法，就是把 BES 和先进氧化过程结合起来，其中生物电芬顿（BEF）系统就是这样一种创新的技术。BEF 系统就像是给 BES 这个 “魔法盒子” 升级了一下，它能产生一种强大的 “武器”—— 羟基自由基，这种自由基具有超强的破坏力，可以降解那些顽固的持久性有机污染物。不过，BEF 系统也有一个重要的问题，那就是电极材料的选择。合适的电极材料就像是给 “魔法盒子” 配上了一把合适的 “钥匙”，能让它更好地发挥作用。
在这样的背景下，研究人员一直在寻找一种理想的电极材料。金属 - 有机框架（MOFs）作为一种新型的纳米多孔材料，进入了他们的视野。MOFs 就像是一种拥有特殊结构的 “纳米城堡”，具有高比表面积、可调节的孔径、高导电性和热稳定性等优点，非常适合作为电极材料。而 Ni/Co - BTC MOF 更是其中的佼佼者，它含有两种金属阳离子，这使得它在潮湿条件下更加稳定，就像给 “纳米城堡” 加上了一层坚固的 “防护盾”。
为了深入研究 Ni/Co - BTC MOF 在 BEF 系统中的应用，[作者单位] 的研究人员在《Scientific Reports》期刊上发表了题为 “Bio - electro - Fenton system assisted by Ni/Co - BTC MOF modified electrode for enhanced bisphenol - S degradation and electricity generation” 的论文。研究发现，经过 Ni/Co - BTC MOF 修饰的电极，在 BEF 系统中展现出了卓越的性能，不仅能够高效地降解双酚 S（BPS）这种新兴污染物，还能产生更多的电能，为实现可持续的废水处理和能源回收提供了新的可能。
那么，研究人员是如何开展这项研究的呢？他们主要用到了以下几种关键技术方法：首先是阴极电化学沉积法，通过这种方法，他们在碳毡（CF）和石墨板（GP）电极上成功合成并沉积了 Ni/Co - BTC MOF 薄膜，就像是给电极穿上了一件特殊的 “纳米外套”；其次，利用场发射扫描电子显微镜（FE - SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT - IR）、X 射线衍射（XRD）和能量色散 X 射线光谱（EDS）等多种表征技术，对修饰后的电极进行了全面的 “体检”，了解其形貌和结构特点；然后，搭建了自制的 BEF 反应器，模拟实际的废水处理环境，进行电化学分析和污染物降解实验；最后，使用高效液相色谱（HPLC）分析 BPS 的浓度变化，从而计算出 BPS 的去除效率。
下面我们来看看具体的研究结果。
修饰电极的表征
研究人员通过 FT - IR、XRD、FE - SEM、EDS 和映射分析等技术，对 Ni/Co - BTC MOF 修饰的电极进行了详细的研究。FT - IR 光谱就像是电极的 “化学指纹”，它显示出 MOF 结构形成过程中，一些功能基团发生了变化，就像分子结构进行了一次 “重组”。XRD 分析则像是给电极做了一次 “骨骼扫描”，证明了 Ni/Co - BTC MOF 成功地沉积在了 CF 和 GP 电极上。EDS 分析不仅确定了电极中元素的组成，还像 “元素地图” 一样展示了 Ni 和 Co 元素在电极上均匀分布。FE - SEM 图像则让研究人员直观地看到了修饰电极的微观世界，发现与裸电极相比，修饰电极表面被 MOF 晶体的分层微观结构完全覆盖，而且还观察到了针状和立方形状的 3D 六方圆柱微晶，这些微观结构的特点与之前的研究结果相符。
Ni/Co - BTC MOF 在发电方面的性能
研究人员以裸 CF、Ni/Co - BTC@CF、裸 GP 和 Ni/Co - BTC@GP 作为阴极电极，在恒定条件下研究了 Ni/Co - BTC MOF 在 BES 系统中的催化效率。通过开路电压（OCV）曲线监测每个阴极产生的电压和修饰电极的稳定性，结果发现 Ni/Co - BTC MOF 薄膜对产生的电压有积极影响，Ni/Co - BTC@CF 产生的最大输出电压最高，而且该电极稳定性好、可重复使用。通过调整外部电阻，研究人员还研究了极化曲线和功率密度 - 电流密度，发现 Ni/Co - BTC@CF 的最大功率密度比裸 CF 高，Ni/Co - BTC@GP 的最大功率密度比裸 GP 高。这表明 Ni/Co - BTC MOF 对 BES 系统有积极影响，而且修饰后的 CF 电极由于其增强的机械稳定性、孔隙率和较大的活性表面积，对 BES 系统更有利。
Ni/Co - BTC@CF 在 BEF 降解双酚 S 方面的性能
基于对各种阴极电极的形貌分析和电学分析数据，研究人员设计了一个 BEF 系统，使用 Ni/Co - BTC@CF 电极来降解 BPS 污染物。研究发现，BEF 系统的效率随着时间的增加而提高，BPS 的去除效率在不同初始浓度下有所不同，浓度越低，去除效率越高。同时，阴极的化学需氧量（COD）去除效率随着 BPS 浓度的降低而增加。研究人员还研究了 BPS 在 48 小时运行期内的降解情况，发现一天后降解效率没有明显变化，在最佳运行时间内，BPS 降解效果令人满意。此外，研究人员还探讨了 BEF 系统在中性 pH 条件下对 BPS 的降解，虽然传统的 Fenton 基过程在酸性 pH 值下更有效，但考虑到实际应用中的成本和微生物活性等因素，研究中性 pH 条件下的降解过程具有重要意义。与 BPS 生物实验结果相比，结合生物过程和电芬顿可能是去除这种污染物的合适选择。
生物阳极的表征
在阳极室中，研究人员利用厌氧污泥接种产电微生物，以形成生物膜层。FE - SEM 图像显示，随着时间的推移，生物膜层逐渐形成，在 CF 丝上可以看到目标细菌的生物膜菌落。这表明系统能够进行电化学和 BES 反应，而且随着 BES 的实施，系统的发电功率随着时间增加，证明了生物膜的形成量达到了要求。产电细菌通过直接和间接两种机制将电子转移到电极上，就像细菌找到了两条通往电极的 “电子高速公路”。
综合研究结果和讨论部分，这项研究具有重要的意义。研究人员成功制备了 Ni/Co - BTC MOF 修饰的电极，并将其应用于 BEF 系统，在发电和降解 BPS 方面都取得了优异的效果。Ni/Co - BTC MOF 的特殊结构使其在氧还原反应（ORR）中表现出色，加快了反应速度，提高了系统产生电能的能力。同时，ORR 的改善促进了 H?O?和羟基自由基的产生，增强了对 BPS 污染物的降解能力。在 BEF 系统中，浓度为 1mg/L 的 BPS 在 24 小时内去除效率高达 98%。这项研究为解决废水处理和能源回收的难题提供了新的思路和方法，为实现可持续发展的目标迈出了重要的一步，有望在未来的环保和能源领域得到广泛应用。
