[发明专利]一种光催化紧密耦合微生物燃料电池、制备方法及应用

说明书

本发明提供一种光催化紧密耦合微生物燃料电池、制备方法及应用，涉及环境、材料和能源领域，具体技术方案如下：一种光催化紧密耦合微生物燃料电池，包括阴极和阳极，所述阳极包括生物阳极和光阳极，所述生物阳极和光阳极并联连接，所述光阳极包括光催化剂和阳极基底Ⅰ，所述光催化剂附着在阳极基底Ⅰ上。本发明在微生物燃料电池中引入光催化剂，通过光催化剂及其负载的电极与传统的微生物燃料电池的电极并联构成光催化紧密耦合微生物燃料电池的阳极。在微生物降解的过程中加入光催化的过程，加快有机污染物的降解，提高微生物燃料电池的产电性能。

技术领域

本发明涉及环境、材料和能源领域，尤其涉及一种光催化紧密耦合微生物燃料电池、制备方法及应用。

背景技术

微生物燃料电池(MFC)是一种新型的生物电化学装置，它可以通过微生物分解代谢将有机物中保留的化学能直接转化为电能，其中电子由阳极中的外生电子不断产生，然后被电子受体消耗。MFC在废水处理过程中提供了有效、可持续和环境友好的途径，然而现在MFC的功率输出仍大大低于理论值，从而限制了它们在实际情况下的应用。MFC可以降解有机污染物但其矿化的程度不高，仅仅依靠光照也是如此，有机物的光催化过程可以将难降解的大的有机分子转变为小的易降解的有机分子，而MFC中微生物易于分解有机小分子。因此光催化氧化过程与微生物氧化过程存在联系的可能。原则上，如果细菌在高级氧化过程中存在，则高级氧化和生物降解可以克服顺序偶联的限制，并且可以在快速降解的产物形成后立即对其进行生物降解，这种方法为紧密耦合。紧邻高级氧化的细菌可以去除最初存在的或生产时可降解的产物，从而将化学氧化剂仅集中在难降解的生物化合物上。因此为了加强生物降解与高级氧化的联系提出“光解/光催化和生物降解的紧密耦合(ICPB)”的概念，作为加速难降解有机污染物生物降解的一种手段。目前光催化与生物降解的耦合已经以顺序耦合的形式发展起来，其中废水通过光催化过程进行预处理，以生成可被生物降解过程进一步利用的中间体，而微生物较容易利用污染物的中间体，加快电子的产生以及污染物的降解。

发明内容

本发明的第一个目的是为了加快降解有机污染物，并且增强产电，本发明在微生物燃料电池中引入光催化剂，通过光催化剂及其负载的电极与传统的微生物燃料电池的电极并联构成光催化紧密耦合微生物燃料电池的阳极。在微生物降解的过程中加入光催化的过程，加快有机污染物的降解，提高微生物燃料电池的产电性能。

本发明的第二个目的是提供一种光催化紧密耦合微生物燃料电池的制备方法。

本发明的第三个目的是提供一种光催化紧密耦合微生物燃料电池的应用。

本发明为实现上述目的，采取的技术方案如下：

一种光催化紧密耦合微生物燃料电池，包括阴极和阳极，所述阳极包括生物阳极和光阳极，所述生物阳极和光阳极并联连接，所述光阳极包括光催化剂和阳极基底Ⅰ，所述光催化剂附着在阳极基底Ⅰ上。

进一步的，所述光催化剂包括磷酸银、TiO₂、ZrC、ZnO、CdS、WO₃、Fe₂O₃、PbS、SnO₂、ZnS中的一种或几种材料的组合。

进一步的，所述阳极基底Ⅰ包括二维碳材料或三维碳材料。

进一步的，所述生物阳极包括微生物和阳极基底Ⅱ，所述微生物附着在阳极基底Ⅱ上。

进一步的，所述阳极基底Ⅱ的表面修饰有过渡金属氮化物，

进一步的，所述阳极基底Ⅱ包括二维碳材料或三维碳材料。

进一步的，所述过渡金属氮化物包括TiN、ZrN、VN、MoN中的一种或几种的组合。

进一步的，所述生物阳极和光阳极通过金属丝或者电极固定夹并联连接。

一种光催化紧密耦合微生物燃料电池的制备方法，包括以下步骤：