微生物光电化学系统产电制氢的规律及机理研究

In this project, a new low-cost, pollution-free method for electricity and hydrogen generation from a microbial photo-electrochemical cell is built up. The microbial photo-electrochemical cell is configured with coupling the catalytic oxidation of organics on bio-anode with protons redcution on photocathode. The technique has the advantages of utilizing organic waste to produce electricity in MFC while avoids the disadvantages of low efficiency and using sacrificial agents in photocatalytic water splitting for hydrogen generation. The rules and mechanisms for the electricity and hydrogen production from the microbial photo-electrochemical cell will be carried out based on our previous research results..The key scientific issues of this proposed project is the synergetic effect of photo-generated electrons on the cathod and bio-generated electrons on the anode. To carried out the research, the photocathods with the suitable bandgap and the band gap position are prepared by spray pyrolysis. A variety of spectroscopic and surface analysis techniques are used to characterized the as-prepared photocathods. The rules for photo-generated electron excitation and transmission will be discussed. By coupling a photocathode with a bioanode in utilizing visible light for microbial electricity and hydrogen generation, the key factors affecting the electricity and hydrogen generation are investigated. The electrochemical kinetic parameters are obtained through the steady state polarization curves,and the mechanisms for electricity and hydrogen generation can be considered. And then techniques including the mass transfer improvement and electrode surface modification will be proposed to improve the electricity and hydrogen generation efficiency..This project will provide new insight into the hydrogen production by using organic wastewater and open up exciting opportunities for microbial catalysis-photocalysis hybrid devices with unique application in environmental protection and energy conversion.

本项目针对微生物燃料电池处理废水产电的优点，以及光催化技术在制氢过程中效率低和需要添加牺牲剂的缺点，提出一种新的低成本、无污染的微生物光电化学系统产电制氢技术，在前期工作基础上本项目将进一步深入研究其产电制氢的规律与机理。. 其关键科学问题是阴极光生电子与阳极生物氧化产生的电子在还原制氢中的协同作用机制。内容分为通过喷雾热分解制备带隙和带隙位置合适的光电极，采用多种谱学和表面分析技术对光电极进行表征，阐明光电极内光生电子的激发、传递规律；通过光电极与生物电极装配成制氢系统，考察系统运行的关键影响因素；通过电化学稳态极化曲线研究电极过程的动力学，结合阳极菌落分析及阴极构效关系研究探讨该系统的制氢机理。进而通过改进技术，提高微生物光电化学系统产电制氢的性能。. 本项目的研究为利用有机废水制氢提供新的思路和理论依据，具有潜在的经济效益和社会效益。

随着社会的高速发展，人类对能源的需求量不断增大，化石能源的消耗量与日俱增，但是化石能源的不可再生性及其使用过程中对环境构成巨大危害要求人们寻找可再生的清洁环保能源。氢，作为一种能量载体逐渐走入人们的视线，传统的制氢方法较多，但是各种制氢方法均存在一定的不足。本项目针对微生物燃料电池在制氢过程中需要施加额外电压，以及光催化技术在制氢过程中效率低和需添加牺牲剂的缺点，将半导体光电极与微生物电极进行耦合，在不施加外部电源的条件下成功进行了产氢，同时可以利用微生物分解废水中的有机质回收能量，是一种具有研究价值和前景的新型能源技术。.本项目构建了单室无膜微生物燃料电池，从空气阴极渗透到电池内部的O2为电子受体，在碳刷阳极上培养可催化氧化有机底物产生电子和质子并传递出细胞的厌氧微生物。使用水热法制备了BiWO6、BiVO4、TiO2等光催化剂，使用溶胶凝胶法和热熔融法制备CaFe2O4、SrTiO3、 YFeO3等光催化剂，使用喷雾热解法制备了CdxZn1-xS系列光催化剂，并利用XRD、UV-vis、SEM和光电测试平台等手段对样品进行表征分析。.特别地将n型TiO2薄膜光电极与微生物耦合成电池，光照后开路电压0.3V左右，内阻在10kΩ以上，电池最大功率密度和最大电流密度分别为6.05mW•m-2和105 mA•m-2。将p型CaFe2O4薄膜光电极与微生物阳极耦合成电池，与内置n型TiO2的MPC相比，开路电压升高到0.75V，内阻降低到2000-4000Ω之间，最大功率密度和电流密度分别升高到174 mW•m-2和1100 mA•m-2。使用100Ω外阻进行产氢实验时，内置n型TiO2系统产氢速率为13.1μL•h-1，产氢量较低，但是阴极效率高达229%；内置p型CaFe2O4系统的产氢速率为16.4μL•h-1，法拉第效率98.3%。实验结果表明，p型光电极更适用于与微生物阳极耦合成电池，能更好的发挥微生物和光电极的耦合作用。但p型光电极的制备比较复杂，限制了耦合系统的进一步研究。. 继而本项目设计了一种协同产氢发电的微生物电化学系统。该技术是通过提高微生物电解池系统阴极电解液中质子浓度使得系统阴极氢析出电位不断升高，最终反应自发发生，实现了从废水处理中同时收获氢能和电能。