[發明專利]一種光催化緊密耦合微生物燃料電池、制備方法及應用

在審

• 申請號: 202110773314.5
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN113506906A
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 顏美;鄒吉祥;果崇申
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90;C02F3/00;C02F3/34;C02F101/30;C02F101/36;C02F101/38
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 李智慧

本發明提供一種光催化緊密耦合微生物燃料電池、制備方法及應用，涉及環境、材料和能源領域，具體技術方案如下：一種光催化緊密耦合微生物燃料電池，包括陰極和陽極，所述陽極包括生物陽極和光陽極，所述生物陽極和光陽極并聯連接，所述光陽極包括光催化劑和陽極基底Ⅰ，所述光催化劑附著在陽極基底Ⅰ上。本發明在微生物燃料電池中引入光催化劑，通過光催化劑及其負載的電極與傳統的微生物燃料電池的電極并聯構成光催化緊密耦合微生物燃料電池的陽極。在微生物降解的過程中加入光催化的過程，加快有機污染物的降解，提高微生物燃料電池的產電性能。

技術領域

本發明涉及環境、材料和能源領域，尤其涉及一種光催化緊密耦合微生物燃料電池、制備方法及應用。

背景技術

微生物燃料電池(MFC)是一種新型的生物電化學裝置，它可以通過微生物分解代謝將有機物中保留的化學能直接轉化為電能，其中電子由陽極中的外生電子不斷產生，然后被電子受體消耗。MFC在廢水處理過程中提供了有效、可持續和環境友好的途徑，然而現在MFC的功率輸出仍大大低于理論值，從而限制了它們在實際情況下的應用。MFC可以降解有機污染物但其礦化的程度不高，僅僅依靠光照也是如此，有機物的光催化過程可以將難降解的大的有機分子轉變為小的易降解的有機分子，而MFC中微生物易于分解有機小分子。因此光催化氧化過程與微生物氧化過程存在聯系的可能。原則上，如果細菌在高級氧化過程中存在，則高級氧化和生物降解可以克服順序偶聯的限制，并且可以在快速降解的產物形成后立即對其進行生物降解，這種方法為緊密耦合。緊鄰高級氧化的細菌可以去除最初存在的或生產時可降解的產物，從而將化學氧化劑僅集中在難降解的生物化合物上。因此為了加強生物降解與高級氧化的聯系提出“光解/光催化和生物降解的緊密耦合(ICPB)”的概念，作為加速難降解有機污染物生物降解的一種手段。目前光催化與生物降解的耦合已經以順序耦合的形式發展起來，其中廢水通過光催化過程進行預處理，以生成可被生物降解過程進一步利用的中間體，而微生物較容易利用污染物的中間體，加快電子的產生以及污染物的降解。

發明內容

本發明的第一個目的是為了加快降解有機污染物，并且增強產電，本發明在微生物燃料電池中引入光催化劑，通過光催化劑及其負載的電極與傳統的微生物燃料電池的電極并聯構成光催化緊密耦合微生物燃料電池的陽極。在微生物降解的過程中加入光催化的過程，加快有機污染物的降解，提高微生物燃料電池的產電性能。

本發明的第二個目的是提供一種光催化緊密耦合微生物燃料電池的制備方法。

本發明的第三個目的是提供一種光催化緊密耦合微生物燃料電池的應用。

本發明為實現上述目的，采取的技術方案如下：

一種光催化緊密耦合微生物燃料電池，包括陰極和陽極，所述陽極包括生物陽極和光陽極，所述生物陽極和光陽極并聯連接，所述光陽極包括光催化劑和陽極基底Ⅰ，所述光催化劑附著在陽極基底Ⅰ上。

進一步的，所述光催化劑包括磷酸銀、TiO₂、ZrC、ZnO、CdS、WO₃、Fe₂O₃、PbS、SnO₂、ZnS中的一種或幾種材料的組合。

進一步的，所述陽極基底Ⅰ包括二維碳材料或三維碳材料。

進一步的，所述生物陽極包括微生物和陽極基底Ⅱ，所述微生物附著在陽極基底Ⅱ上。

進一步的，所述陽極基底Ⅱ的表面修飾有過渡金屬氮化物，

進一步的，所述陽極基底Ⅱ包括二維碳材料或三維碳材料。

進一步的，所述過渡金屬氮化物包括TiN、ZrN、VN、MoN中的一種或幾種的組合。

進一步的，所述生物陽極和光陽極通過金屬絲或者電極固定夾并聯連接。

一種光催化緊密耦合微生物燃料電池的制備方法，包括以下步驟：