光催化—微生物降解直接耦合燃料电池降解4-氯酚和产电特性研究

发布时间：2018-03-03 04:19

  本文选题：燃料电池　切入点：光催化氧化　出处：《吉林大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)在废水资源化方面具有公认的潜力,但是具有只能利用和转化易生物降解有机底物的局限。光催化燃料电池(Photo fuel cell,PFC)可利用底物范围广泛,但是产电能力与MFC相比很低。针对以上科学问题,论文以光催化-生物降解直接耦合理论为基础,提出MFC和PFC组合构建光催化-微生物降解直接耦合的燃料电池(PMFC)。首先,制备了对对氯苯酚(4-CP)具有良好光降解能力的Ag-TiO_2可见光响应催化剂。在水热温度为130℃,水热时间为5 h的优化条件下,Ag-TiO_2在5 h对4-CP的去除率可达到~90%。对Ag-TiO_2进行表征,发现其具有明显的可见光吸收能力,TiO_2晶体形态以锐钛矿为主。其次,成功构建了光催化-生物降解直接耦合阳极。采用酒精分散法将AgTiO_2纳米材料均匀负载于多孔泡沫碳上制备光电极,电镜观察表明泡沫碳多孔孔道被完好地保存。基于电解液类别与浓度选择研究,确定电解液为50 mmol/L硫酸钠,Ag-TiO_2光电极在5 h对4-CP的降解效果可达到57%。随后以负载Ag-TiO_2的电极启动燃料电池,在无光照条件下培养阳极呼吸菌,经7天后得到稳定的输出电压,表明PMFC阳极微生物培养成功。系统探讨了PMFC对4-CP的降解效率和产电性能,并与MFC和PFC进行了直接对比。PMFC在4-CP的降解效率方面具有显著优势,8 h对4-CP的去除率达到50%,比PFC提高~10%,比MFC提高~40%。PMFC的最大功率密度为910 mW/m2,可达到PFC和MFC之和的1.1倍。阻抗分析表明其PMFC阳极的内阻小,这与半导体材料负载和较好的阳极呼吸菌活性有关。循环伏安曲线分析表明,PMFC氧化还原电流峰值为MFC的2倍左右,出峰位置在-0.217 V vs.SHE,表明细胞色素C对电子的传递起到了关键作用。研究发现,15 mg/L的4-CP能够对阳极微生物的稳定性产生明显的抑制作用。MFC的微生物产电能力逐渐下降,然而,PMFC中由于Ag-TiO_2的光催化作用降低了氯酚的抑制性,产电能力能够维持。多重荧光染色、扫描电镜和透射电镜分析进一步表明PMFC阳极的微生物活性显著高于MFC阳极,且细胞形态保持良好,而MFC阳极细胞甚至出现细胞质溶出的情况。高通量测序表明阳极微生物的群落变化情况,Alpha多样性分析表明PMFC阳极的多样性明显高于MFC。论文成功构建光催化-生物降解直接耦合燃料电池PMFC,通过4-CP的去除率和产电能力分析表明PMFC能够显著提高4-CP降解效率和电能输出能力,为生物抑制性或难降解有机物高效电能转化提供了新的思路。
[Abstract]:Microbial fuel cells have recognized potential in wastewater reuse, but have the limitation of using and converting easily biodegradable organic substrates. Photocatalytic fuel cells can use a wide range of substrates. But the ability to produce electricity is very low compared with MFC. Based on the direct coupling theory of photocatalysis and biodegradation, this paper proposes the combination of MFC and PFC to construct a fuel cell with direct coupling of photocatalytic and microbial degradation. The Ag-TiO_2 visible light response catalyst with good photodegradation ability for p-chlorophenol 4-CPwas prepared. Under the optimum conditions of hydrothermal temperature 130 鈩，

本文编号：1559502