光-生物协同转化有机废水产电的机理与效能研究

Conversion and utilization of the chemical energies in waste water is the next-generation energy technology and pollution control technology. Previous studies have demonstrated that photofuel cells (PFCs) and microbial fuel cells (MFCs) can directly convert the chemical energies in the waste water to electricity. However, the radical mechanism prevents PFCs to deeply utilize the organic carbon source, and the respiratory metabolism limits the substrates of MFCs to the biodegradable waste water. To solve the aforementioned problems, we propose to establish a photo-biology coupling system for electricity generation. First, by taking advantage of the strong oxidation of photochemical process, the complex organics will be cut into the small aliphatic molecules such as carboxylic acids, aldehydes, and ketones, thus improving the biodegradability of the complex organic waste water. Next, electricigens will completely convert the aliphatic molecules into water and carbon dioxide, thus realizing the deep purification of waste water. Simultaneously, electrons released in the processes of photooxidation and biological oxidation will transfer to the cathode of the system to reduce oxygen under the driving of built-in field, thus generating electricity in the photo-biology coupling system. As seen, the photo-biology coupling principle will strengthen the breadth, deepness, and efficiency of utilizing the organic waste water as the resources, and enable the transformation of changeable and disgusting industry waste water into valuable resources.

废水化学能的转化利用是新一代的能源技术和污染控制技术，既往研究表明光化学燃料电池和微生物燃料电池可直接将有机废水中的化学能转化为电能。然而自由基机制决定了光化学燃料电池在有机碳源的深度利用过程中效率低下，呼吸代谢机制决定了微生物燃料电池的底物来源局限于生化性好的简单废水。针对以上科学问题，本项目提出构建光-微生物协同产电系统，借助光化学过程的强氧化作用，将废水中的复杂有机污染物快速剪切为结构简单、相对分子质量较小的脂肪酸/醛/酮，提高废水的可生化性，然后通过生物氧化作用彻底分解脂肪族小分子，实现有机废水的深度净化。同时，光氧化和生物氧化过程中释放的电子在内建电场作用下由外置回路迁移至系统阴极还原氧气，在系统中产生电流。通过研究有机物的降解路线图和废水性状-产电效能关系，从分子水平揭示系统的能量转换原理。本项目的开展，将强化有机废水资源化利用的广度和深度，使工业废水切实成为有价值的产电资源。

废项目研究中的产电系统本质上是一类燃料电池，其性能取决于氧还原性能。Pt基材料是优良的氧还原催化剂。然而，铂基催化剂的使用增加了燃料电池的成本。项目利用螺旋藻和爆米花为碳源，制备了公斤级的N、P自掺杂多孔纳米碳，其氧还原催化活性与商用Pt/C相当，氧析出催化活性与Ir/C相当，同时表现出Pt/C和Ir/C欠缺的甲醇与CO耐受性，未来有望成为极具竞争力的高效廉价燃料电池阴极催化剂。. 光电阳极是光燃料电池的另一核心材料，项目研究了高性能纳米TiO2光阳极的设计合成。以毫米级TiO2纳米带网为基质，修饰BiOX（X=Cl, Br, I）和Ag，形成Ag@BiOX@ TiO2复合光电阳极。TiO2纳米线上有序生长的BiOX片提供了高效采光结构，拓宽了电解液/半导体的接触面，反应位点增多，光电流增强。另一方面，Ag、TiO2和BiOX组成的能级阶梯促进了光生电子由TiO2和BiOX流向Ag，阻止了光生电荷的复合。因此，利用BiOX-Ag-TiO2和Ag-TiO2复合膜组装的光电化学电池和光燃料电池表现出了优异的水氧化和有机物氧化性能，能用于污水的净化和资源化利用。.纳米碳材料是能源化学器件的核心成分之一，但是制作纳米碳材料电极时，通常需要大量助剂，加工过程步骤繁琐，工艺要求高，而且助剂往往拉低电化学性能。项目利用纳米碳在金属表面形成的电双层效应和由此产生的自发聚集反应，开发了通用的纳米碳宏观组装技术。纳米碳膜具有良好的导电性能、通孔结构和力学强度，是燃料电池、超级电容器等电化学装置的理想电极材料。.除了有机废水的资源化利用问题，项目进行过程中同时探索了CO2废气的资源化利用问题，设计加工了具有开放结构的流式Zn-CO2燃料电池。在常温常压下，流式Zn-CO2电池能连续消耗CO2，同时持续输出CH4和电能，是一种崭新的CO2利用技术。