电刺激的石墨烯基微生物电极构建与去除抗生素类微污染物的增效机制

Electrochemical removal of micropollutants possesses slow mass transfer, high energy consumption, and low degradation efficiency, which is one of the engineering application bottlenecks. Focusing on the in-depth removal of recalcitrant antibiotic micropollutants, this project intends to utilize graphene with strong conductivity and high specific surface area to build a three-dimensional sensitive membrane electrode with fast electronic transfer and high microbial loading, and was hybridized with conductive polymer with high biocompatibility and strong induction adsorption capacity. We will use electrodeposition method to explore the regulation mechanism of graphene-based composite with hierarchical hole structure, apply process tracking technology to discuss the induction enrichment mechanism of micropollutants, reveal the synergetic degradation mechanism between biocatalytic and electrocatalytic degradation, and then optimize electrode layout and structure. The research outcome of this project will provide new technical pathways for the effective control of the environmental risks of hazardous antibiotic micropollutants, and will serve as a scientific theory basis for realizing the wastewater resource.

电化学去除微污染物时传质慢、能耗高、效率低成为其工程应用瓶颈之一。构建具有富集能力和电刺激活性的微生物电极是解决这一瓶颈问题关键所在。本项目拟利用石墨烯强导电性和高比表面积构建电子传输快和生物负载量高的三维敏感膜电极，再结合导电聚合物的高生物相容性和强的诱导吸附能力，解决难降解抗生素类微污染物的深度去除问题。采用电沉积方法探究石墨烯基复合材料构建多级孔洞结构的调控机制，应用过程跟踪技术探索微污染物诱导富集的机理，揭示电促与微生物协同降解的机制，从而优化电极布局与构造。本研究将为有效控制有毒微污染物的环境风险提供新的技术途径，为实现废水资源化提供一定的科学理论依据。

针对电化学去除微污染物存在的传质慢、能耗高、效率低等工程应用瓶颈，本项目构建出具有强富集能力和电刺激活性的微生物电极来解决抗生素类难降解微污染物的深度去除问题。采用一步电沉积法制备了一种多级纳米结构的石墨烯-聚吡咯（rGO@PPy）电极，该电极具有开放的多孔三维互连导电支架结构，具有较高的表面粗糙度，有利于微生物定植和细胞外电子从外电团转移到电极上。rGO@PPy电极表现出最大电流密度4.10 ± 0.02 mA cm-2，比裸rGO电极（0.51 ± 0.03 mA cm−2）高8.04倍，是目前报道的二维电极性能最好的电极之一。运用化学置换手段简易制备了3D自支撑多孔泡沫镍负载超细Pd纳米粒子的新电极，Pd@泡沫Ni电极对氟苯尼考的脱氯效率达到99.5％，在-1.2 V阴极电位下脱氯率高达16.58 mg/min，远远超过纯泡沫Ni（2.63 mg/min）和市售Pd/C（11.32 mg/min）。第一次发现了选择性加氢脱氯的Pd-Ni超微界面，创新性阐释了Pd和Ni原子协同催化脱卤的新机制。构建了一种新颖的“无粘合剂”3D生物相容性生物电极，该电极由1D胺化碳纳米管（CNTs-NH2）和2D导电还原氧化石墨烯（rGO）纳米片通过一步电沉积组成。rGO@CNTs-NH2电极表现出最大电流密度达到3.25±0.03 mA cm-2，比裸rGO（0.75±0.01 mA cm-2）高4.33倍。归因于电子转移和细菌定殖的出色性能，这源于3D互连支架，快速1D碳纳米管“电子桥”和带正电的表面。上述研究成果在Biosensors & Bioelectronics（IF=10.618）、Chemical Engineering Journal（IF=13.273）、Water Research（IF=11.236）等SCI期刊发表高水平论文6篇，其中ESI高被引论文2篇，ESI热点论文2篇，授权发明专利3项；荣获中国有色金属工业科学技术一等奖（排名第二）、中国化工学会基础研究成果奖二等奖（排名第四）等科研奖励。