基于改性PPy阴极光催化燃料电池处理水中难降解污染物及产电性能研究

Photo fuel cell (PFC) can degrade organic pollutants and generate electricity simultaneously, which has drawn more and more attention. In comparison with the PC oxidation occurred in anode, the oxygen reduction occurred in cathode is more difficult. The electricity generation property of PFC is mainly restricted by cathode oxygen reduction rate. It is important for the application of PFC to find a low cost, high oxygen reduction activity cathode material. In this project, the former electrochemical prepared PPy cathode will be modified and applied in a PFC to treat typical pollutants and generate electricity. The following two aspects will be investigated detailly: I) Doping carbon material (graphene, etc) in PPy film during electrochemical preparation to enhance the conductivity. Depositing transition metals and their oxides to improve the oxygen reduction activity; II) Deep investigate the PC degradation and electricity generation properties of new PFC system, including degradation rate, degradation pathway and intermediates of typical pollutants (antibiotics, etc), the influence of inorganic anions and pH. The aim of this project is to establish a high electricity generation and pollutants removal PFC system with modified PPy cathode.

光催化燃料电池（PFC）在光催化降解污染物的同时还可以产生电能受到广泛关注。相比于阳极的光催化氧化反应，阴极的氧气还原反应更难进行，PFC的产电性能因此主要受到阴极氧气还原反应（ORR）速率的制约。寻找低成本，高ORR活性的阴极材料，是PFC技术高效运行的关键。本项目拟在前期电化学制备的PPy阴极基础上对其进行改性，应用于PFC中处理典型污染物并产电。本项目将重点从以下两方面进行研究：1）在电化学制备PPy薄膜的过程中掺入碳材料（石墨烯等），提高其导电性。并对其进行过渡金属（Co、Fe等）或过渡金属氧化物（MnO2等）修饰，提高其氧气还原活性。2）对新阴极PFC体系的光催化降解和产电性能及其机理进行探索，包括典型污染物（抗生素等）的降解速率、途径及中间产物，废水中无机盐、pH等影响因素的作用机制，最终建立基于改性PPy阴极的高产电及降解性能PFC体系。

光催化燃料电池（PFC）在光催化降解污染物的同时还可以产生电能受到广泛关注。相比于阳极的光催化氧化反应，阴极的氧气还原反应更难进行，PFC的产电性能因此主要受到阴极氧气还原反应（ORR）速率的制约。寻找低成本，高ORR活性的阴极材料，是PFC技术高效运行的关键。.本项目采用电化学聚合的方法，在Ti片基底上负载了聚吡咯（PPy）薄膜，并通过添加模板剂对甲苯磺酸（TsOH）对其表面形貌进行改性。通过控制TsOH浓度，合成了具有纳米丝、纳米线及纳米棒阵列结构的PPy薄膜。将其作为阴极，构建了TiO2 NTs-PPy双转盘PFC，处理实际工业废水的同时产电。相比于平面结构PPy阴极，纳米结构阴极不仅具有更大的表面积，同时也具有更好的电子传输特性，因此可以获得更高的电能输出和污染物降解速率。研究结果表明，PPy这类的导电聚合物是一种很有应用前景的PFC阴极材料。.另一方面，针对工业废水中的NO3--N，本项目合成了Co3O4电极，发现其作为阴极具有极强的NO3--N还原活性，可以有效地将NO3--N还原为NH4+-N。为了进一步地提高NO3--N还原速率，从催化剂微观角度出发，利用电沉积的方法合成了Co3O4纳米片阴极，相比于浸渍法制备的Co3O4颗粒阴极，其硝酸盐还原速率提高了1.7倍，这主要由于其具有更大的电化学活性表面积及其特有的（311）晶面暴露。从宏观反应条件控制角度，通过提高反应温度及电流密度，也可以进一步提高NO3--N还原速率。最后，通过加入一定量的Cl-，可以有效的将NH4+-N氧化为N2，且同时通过调控pH还可以抑制NH4+-N的逃逸，提高氮气的选择性。.为了可以直接将NO3--N还原为N2，本项目合成了质子化PPy薄膜，利用其极强的析氢性能及对NO3-还原的惰性，将其与Pd-Cu催化相结合。由于Pd-Cu双金属催化可以利用H2将NO3--N选择性的还原为N2，质子化PPy阴极可以有效的抑制电催化产氢过程中NO3-还原为NH4+，大幅度的提高了N2选择性。同时，电催化原位产氢分散性及活性均更高，与直接H2注入方法相比H2用量极少且更加安全，是一种新型的NO3--N去除方法。