Z型三元光催化电解池与微生物电解池联用产氢及处理难降解有机物

Energy shortage and environemt pollution are worldwide problemes in recent decades. Hydrogen is one of the most promising clean and renewable fuels in future for its high combustion valua and nearly zero emmision of pollutants. In this study, a photo-electron and bio-anode will be integrated in a two-chamber reactor to construct a Photo-asistant microbial electrolysis cell(PMEC). The photo-electrode and bio-anode will work collectively for degradation of organic pollutants, including refractory organics; meanwhile, the overpotential between the photoelectrode and the MEC cathode will provide an energy bias for hydrogen evolution on the cathode：（1）Invention of an all-solid Z-scheme MoS2/M/TiO2 film catalyst on a transparent indium tin oxide (ITO) conductive glass with high potocatalytci activity and stability and study the mechanism of this three component system;（2）Fabrication of photoelectrochemical cells (PECs) with the photocatalyst films for both hydrogen evolution and organic waste degradation under visible light,and investigation the kinetics and mechanism of hydrogen production and organic degradation.(3) Integration of PEC and MEC to construct P/MECs for refractory organics degradation and hydrogen production, and estimation the photocatalytic mechanism of refractory organics degrdation.

环境污染和能源短缺是二十一世纪面临的严重问题，氢气作为清洁的可再生能源，其开发能够有效缓解上述问题。本项目以开发可见光催化薄膜电极为主要研究内容，通过多种技术手段提高光催化剂的催化活性和量子产率，开发光催化电解池协同微生物电池以有机污染物为电子供体产氢：（1）研制MoS2/Me/TiO2三元复合Z型薄膜电极，通过三元催化体系及贵金属负载等手段提高光催化电极的活性及稳定，研究该三元复合材料的电子传递机理；（2）开发光催化电解池以难降解有机物为电子供体产氢，同时研究该光催电极产氢及降解有机物的机理；（3）开发以光催化电解池与微生物电解池联用的P/MEC,PEC以有毒难降解有机物为电子供体产电用以驱动微生物电解池产氢；同时难降解有机物经PEC处理毒性降低，污水可生化性提高，作为微生物电解池的底物进行生物处理。本部分将重点研究P/MEC有机物降解的机理和动力学特征。

化石能源的大量燃烧，引发了资源短缺和大气环境污染两大问题。开发新能源取代化石能源被认为是有效解决这些问题的关键。氢能因其燃值高，燃烧产物清洁，是一种具有巨大经济价值的新能源。利用半导体光催化剂光催化制氢更被认为是在众多制氢技术中极具优势的。TiO2因其稳定性好、安全无毒、价格低廉等优点而成为最佳的光催化材料之一。然而TiO2（3.2ev） 禁带宽度较宽，对太阳光的利用率较低，仅能吸收占太阳光5%的紫外光；此外，其光生电子和空穴复合几率大。因此，对其进行修饰改性以提高其光催化能力成为当前的主要工作。已做的改进工作主要有金属掺杂、非金属掺杂、与其他半导体材料复合以扩大其对可见光的响应范围，同时可以提高光生载流子的分离效率及光吸收率，从而能有效提高TiO2光催化效率。MoS2, Cu2O作为窄带光催化剂，可以与TiO2复合提高其光催化活性。本项目以开发可见光催化薄膜电极为主要研究内容，通过多种技术手段提高光催化剂的催化活性和量子产率，开发光催化电解池协同微生物电池以有机污染物为电子供体产氢：1）研制复合光催化剂TiO2/MoS2的制备及其光催化活性研究。复合材料能能显著提高光催化产氢性能，硫化钼的最佳负载量为5 wt%，比产氢速率为776.99 μmol•h-1•g-1，其产氢活性是纯TiO2的4.92倍，商业P25 的3.67倍；2）基于电沉积法制备的Cu2O/Au/TiO2的制备及其光催化性能研究。在紫外-可见光条件下，Cu2O-Au-TiO2 薄膜光催化产氢速率125.3 mmol•h-1•m-2）是Cu2O-TiO2薄膜的（83.2 mmol•h-1•m-2）)的1.5倍，这是由于Au表面等离子共振效应更能有效降低了光生电子（e-）和光生空穴（h+）的复合率，提高了光催化产氢效率。3）基于电沉积法制备的Cu2O/(RGO-TiO2)的制备及其光催化性能研究。当RGO负载量为3.0wt% 时，其产氢速率达到最大值为403.3 mmol•h-1•m-2，相对于纯TiO2 (P25) 薄膜（13.5 mmol•h-1•m-2）的产氢速率提高了约29倍，而与Cu2O-TiO2薄膜的产氢速率相比较提高了约2倍。