攫取含氮污染物中化学能的电极制备及能量转化机理

An electrochemical energy conversion technology will be established to retrieve energy from N-rich municipal wastewater. Here, urea/ammonia functions as fuel at anode and nitrate severs as electrons acceptor at cathode, forming a urea/nitrate redox cell. Nitrate and urea can be changed to nitroen gas over cathode and anode, respectively. Thus, N will be removed from water with self-generating electric current. The key points are developing suitable catalytic electrodes and hybrid membrane separator with low resistance toward highly-stable redox cell for fast energy conversion. In order to overcome the limitations of denitrification via biological treatment, a new designed acid-alkaline hybrid electrolyte will be used to improve the reaction rate, conversion efficiency of ammonia/nitrate/nitrite to nitrogen gas and the power density. Instantaneous and stable intermediates will be detected using chemical analysis techniques, proposing mechanisms of electrode reactions and dynamic models. This technology can possibly be applied to other organic or heavy-metal wastewater, and is a promising way to make wastewater treatment become a energy producer rather than a energy consumer.

本项目旨在通过电化学反应过程的产能技术，以尿素/铵盐为燃料、硝化产物硝酸盐为氧化剂组成氧化还原电池，研究处理城市废水为背景的自产电脱氮。发展电化学多介质催化反应体系，制备新型隔膜装置以实现简易、高效、稳定的污染物氧化还原电对产电的电极体系。设计新型的酸-碱混合电解液体系和合理的燃料电池型反应器，获得优化的产电和污染物去除条件，以促进含氮污染物的电化学降解并提高功率密度。此外，通过对瞬态物的检测和稳态中间产物分析，研究电催化的作用机理，构建电极特性与分子间激活的量效关系，进而建立新型的分析检测体系和电极性能评价方法。为自产电修复技术扩展应用于其它有机或重金属废水提供基础依据，为污染物处理中的节能减排提供技术支撑。

在水溶液反应体系中，阳极上以尿素、氨等含氮化合物或醇、糖、酚有机物为“燃料”在电催化下的直接氧化产电；阴极上氧气、高价态金属/重金属离子、含氧酸如重铬盐等电子接受体还原形成了完整的燃料电池体系。课题验证了在纳米金属粒子为电催化的阴阳电极上的反应行为和污染物燃料的转化、归宿关系。这种新型的液相燃料电池技术能将含氢化合物中化学能以电能方式得以提取、对贵重金属进行自产能回收、还原重金属以降低毒性或脱除。 .课题构建了电化学反应多介质体系、发展了新型隔膜装置、探索了无隔膜的微流控电池体系，为各类电池反应器的设计、制作和测试提供了一种新的手段和方法。通过现代谱学技术如拉曼技术对瞬态活性物和稳态中间产物的检测进行界定，厘清了催化反应转化的结构特征和电催化本质关系，从而在分子水平上理解其作用机制。 .课题完成了镍基高催化活性电极制备及筛选工作，完成和制作了电池反应器并对其进行调试，获得了各类优化操作条件和其对产电效率的影响及作用规律。借助水热法、沉积法等先进手段，通过过程控制在碳纤维布、泡沫镍、碳海绵、碳纳米管上修饰催化物种，包覆纳米金属颗粒和功能化，形成以纳米须、纳米杯、纳米线、纳米中空球的微观尺度和结构的催化电极。双金属和多金属掺杂，Ni-Co、Ni-Cu、Ni-Fe、Ni-Mn、Ni-Au、Ni-Ag、Ni-Co-Au、Ni-Ce-Ag过渡金属作了系统的研究，建立掺杂与导电关系、界定产电与直接发生化学反应关系。 .本研究在ChemSusChem等杂志上发表了10余篇研究论文，培养了2名青年人才、3名博士/硕士研究生。课题在研究过程中与国内外同行建立了良好的合作研究关系、共同发表学术论文和开展应用研究工作。 .开展了液相燃料电池的实际应用试验，认证了该技术是废物能源化和化学储能的新技术、新工艺，为废水电化学反应转化化学能源和为大规模的废水处理与能源化利用提供了技术途径。