氮掺杂诱导Co-Sex活性位点暴露促进MFC中硝酸根催化还原的电子传递途径解析

基本信息
批准号:21806031
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:26.00
负责人:代莹
学科分类:
依托单位:黑龙江工程学院
批准年份:2018
结题年份:2021
起止时间:2019-01-01 - 2021-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:邹金龙,张敏,梁涛,张鑫,荆宝剑,麻媛媛,陈珲
关键词:
微生物降解电催化生物电化学法废水资源/能源化
结项摘要

Nitrate (NO3--N) is one of the key factors for water eutrophication. Higher overpotential, inefficient electron availability and utilization limit the electro-catalytic reduction efficiency of NO3--N. In this study, the electricity generation of single-chamber microbial fuel cell (SC-MFC) is coupled with the electro-catalytic process. NO3--N as the shared electron acceptor is added to the SC-MFC with O2 as the initial electron acceptor. Cobalt selenide/N-doped partly-graphitized carbon (CoSe2/NPGC) polyhedron material as the cathode catalyst is prepared from the ZIF-67 dodecahedron and abundant N-induced surface defects (Co-Sex) on CoSe2/NPGC are formed by in-situ selenization of Co. The effects of structure and active components of CoSe2/NPGC on the NO3--N reduction efficiency, the formation of byproducts (NO2--N, NH3, etc) and the electricity generation are investigated. The activity and stability of NO3--N reduction on CoSe2/NPGC cathode is explored in the co-existence of NO3--N and ORR. According to the electricity generation performance and coulombic efficiency during the degradation of organic wastewater in SC-MFC, the dynamic correlations between NO3--N reduction and ORR are studied. Therefore, the decontamination functions of SC-MFC may be expanded and the electron transfer pathway and the reduction mechanism should be obtained when the NO3--N reduction and ORR are simultaneously conducted in SC-MFC.

硝酸盐氮(NO3--N)是水体富营养化的关键因子之一;高过电位和低效电子利用限制了NO3--N的电催化还原效率。本项目将单室微生物燃料电池(SC-MFC)产电与电催化过程耦合,在以O2为电子受体的SC-MFC中加入NO3--N为共同电子受体;以ZIF-67十二面体为骨架结构、通过钴(Co)中心原位硒化合成的N掺杂诱导表面缺陷(Co−Sex)丰富的二硒化钴/N掺杂石墨化碳(CoSe2/NPGC)为阴极催化剂;考察CoSe2/NPGC结构与活性组分对SC-MFC中NO3--N还原效率、副产物(NO2--N、NH3等)及产电性能的影响;探索与氧还原反应(ORR)共存时,NO3--N在CoSe2/NPGC上还原的活性和稳定性;根据降解有机废水时的产电性能与库伦效率,归纳出NO3--N还原与ORR之间的动态关联,扩展SC-MFC除污染功能,获得NO3--N还原与ORR共存时的电子转移途径与还原机理。

项目摘要

水体中硝酸盐氮(NO3--N)的存在可能导致严重的环境问题,NO3--N的电催化还原需要一个较高的电势和高效的电子利用率;这就需要一个催化还原NO3--N活性高的催化剂来持续消耗电子,以克服催化过程产生的过电势。(1)通过原位Se化的方法,在不同温度下合成有氧气还原(ORR)或生成反应(OER)活性的CoSe(与NiSe协同)基材料,并通过CoSe/NiSe基催化剂结构的表征、电化学性能优化,使其具有理想的电催化还原活性和稳定性。(2)将MFC过程与电催化还原过程耦合,获得了以Fe3Se4/FeSe基催化剂材料为阴极的MFC降解有机废水的产电性能(1003mW/m2)与库伦效率(25%以上),归纳出ORR与产电性能之间关系的规律性结果,从而扩展MFC的除污染功能,同时发现了电子转移过程为4电子途径。(3)基于ZnO材料具有良好的生物相容性和高OER电位等特点,采用溶剂热-烧结法制备了表面催化活性较高的ZnO/纳米石墨(Nano-G)材料,研究了制备条件对ZnO/Nano-G催化剂结构和性质的影响;并基于电化学性能测试,利用热压法将优选的ZnO/Nano-G材料制备为阴极,对水中NO3--N(100mg/L)的还原效率可以达到82.5%以上,且总氮去除效率在70%以上。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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