《微生物光電化學系統產電制氫的規律及機理研究》是依託西安交通大學，由陳慶雲擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：微生物光電化學系統產電制氫的規律及機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：陳慶雲
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本項目針對微生物燃料電池處理廢水產電的優點，以及光催化技術在制氫過程中效率低和需要添加犧牲劑的缺點，提出一種新的低成本、無污染的微生物光電化學系統產電制氫技術，在前期工作基礎上本項目將進一步深入研究其產電制氫的規律與機理。. 其關鍵科學問題是陰極光生電子與陽極生物氧化產生的電子在還原制氫中的協同作用機制。內容分為通過噴霧熱分解製備帶隙和帶隙位置合適的光電極，採用多種譜學和表面分析技術對光電極進行表征，闡明光電極內光生電子的激發、傳遞規律；通過光電極與生物電極裝配成制氫系統，考察系統運行的關鍵影響因素；通過電化學穩態極化曲線研究電極過程的動力學，結合陽極菌落分析及陰極構效關係研究探討該系統的制氫機理。進而通過改進技術，提高微生物光電化學系統產電制氫的性能。. 本項目的研究為利用有機廢水制氫提供新的思路和理論依據，具有潛在的經濟效益和社會效益。
結題摘要
隨著社會的高速發展，人類對能源的需求量不斷增大，化石能源的消耗量與日俱增，但是化石能源的不可再生性及其使用過程中對環境構成巨大危害要求人們尋找可再生的清潔環保能源。氫，作為一種能量載體逐漸走入人們的視線，傳統的制氫方法較多，但是各種制氫方法均存在一定的不足。本項目針對微生物燃料電池在制氫過程中需要施加額外電壓，以及光催化技術在制氫過程中效率低和需添加犧牲劑的缺點，將半導體光電極與微生物電極進行耦合，在不施加外部電源的條件下成功進行了產氫，同時可以利用微生物分解廢水中的有機質回收能量，是一種具有研究價值和前景的新型能源技術。 本項目構建了單室無膜微生物燃料電池，從空氣陰極滲透到電池內部的O2為電子受體，在碳刷陽極上培養可催化氧化有機底物產生電子和質子並傳遞出細胞的厭氧微生物。使用水熱法製備了BiWO6、BiVO4、TiO2等光催化劑，使用溶膠凝膠法和熱熔融法製備CaFe2O4、SrTiO3、 YFeO3等光催化劑，使用噴霧熱解法製備了CdxZn1-xS系列光催化劑，並利用XRD、UV-vis、SEM和光電測試平台等手段對樣品進行表征分析。 特別地將n型TiO2薄膜光電極與微生物耦合成電池，光照後開路電壓0.3V左右，內阻在10kΩ以上，電池最大功率密度和最大電流密度分別為6.05mW•m-2和105 mA•m-2。將p型CaFe2O4薄膜光電極與微生物陽極耦合成電池，與內置n型TiO2的MPC相比，開路電壓升高到0.75V，內阻降低到2000-4000Ω之間，最大功率密度和電流密度分別升高到174 mW•m-2和1100 mA•m-2。使用100Ω外阻進行產氫實驗時，內置n型TiO2系統產氫速率為13.1μL•h-1，產氫量較低，但是陰極效率高達229%；內置p型CaFe2O4系統的產氫速率為16.4μL•h-1，法拉第效率98.3%。實驗結果表明，p型光電極更適用於與微生物陽極耦合成電池，能更好的發揮微生物和光電極的耦合作用。但p型光電極的製備比較複雜，限制了耦合系統的進一步研究。繼而本項目設計了一種協同產氫發電的微生物電化學系統。該技術是通過提高微生物電解池系統陰極電解液中質子濃度使得系統陰極氫析出電位不斷升高，最終反應自發發生，實現了從廢水處理中同時收穫氫能和電能。
