含g--C3N4催化電極自偏壓系統(tǒng)污染物去除研究.pdf

1、為解決廢水處理過(guò)程中能耗高以及光催化劑需額外光激發(fā)才可產(chǎn)生穩(wěn)定的電子與空穴的問(wèn)題，本研究制備了低成本且催化性能較好的光電催化劑，在傳統(tǒng)的光催化技術(shù)、微生物燃料電池與膜生物反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，構(gòu)建自偏壓式光電催化燃料電池系統(tǒng)與催化膜生物燃料電池系統(tǒng)，在室內(nèi)光照條件下實(shí)現(xiàn)低能耗、高效率地降解各類污染物,研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)通過(guò)溶膠凝膠、浸漬涂覆方法制得TiO2/g-C3N4二元復(fù)合異質(zhì)結(jié)光電催化陽(yáng)極，碳纖維布負(fù)載鉑納米粒子陰極，構(gòu)建

2、自偏壓式光電催化燃料電池。室內(nèi)自然光激發(fā)光電催化劑產(chǎn)生電子與空穴，且電子在g-C3N4與TiO2異質(zhì)結(jié)間內(nèi)建電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生轉(zhuǎn)移，并活化氧氣產(chǎn)生活性氧，用于羅丹明B(RhB)氧化降解，同時(shí)電子傳遞亦促進(jìn)電子與空穴分離。研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在室內(nèi)自然光照(68Lux)、低溫條件下陽(yáng)極室內(nèi)仍可高效降解RhB(97.5％，1.5h)并產(chǎn)電(0.6V，1000Ω)，單位時(shí)間、單位催化劑TiO2/g-C3N4去除114mg·g-1·h-1RhB，遠(yuǎn)高于

3、傳統(tǒng)光電催化燃料電池?zé)o額外光照時(shí)的電壓與污染物去除率，總能耗僅為0.0085KW·h·L-1。
　　(2)為了低能耗且高效地同時(shí)降解不同種類污染物，應(yīng)用TiO2/g-C3N4與WO3/W分別作為陽(yáng)極與陰極，構(gòu)建自偏壓式光電催化燃料電池系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)方法，該系統(tǒng)在無(wú)外加光照與外加偏壓條件下，陽(yáng)極室內(nèi)電子活化氧氣產(chǎn)生自由基，用于氧化降解污染物，如4h降解RhB(～75％)、三氯生(TCS，～92％)或黃連素(BBR，60％)，陽(yáng)極電

4、子傳遞至陰極還原硝態(tài)氮(NO3--N，～80％)，單位時(shí)間、單位催化劑TiO2/g-C3N4分別去除33mg·g-1·h-1RhB與5600mg·g-1·h-1NO3--N,200mg·g-1·h-1TCS與5600mg·g-1·h-1NO3--N,131mg·g-1·h-1BBR與5600mg·g-1·h-1NO3--N，污染物去除能耗均為0.0228KW·h·L-1。
　　(3)在室內(nèi)微弱自然光照條件下，為了進(jìn)一步促進(jìn)光電催化

5、劑電子自發(fā)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移，在二元異質(zhì)結(jié)光電催化劑基礎(chǔ)上，制備p、n型半導(dǎo)體與導(dǎo)電基質(zhì)復(fù)合的三元異質(zhì)結(jié)光電催化劑rGO/ZnIn2S4/g-C3N4。在可見(jiàn)光照條件下對(duì)比自偏壓光電催化燃料電池系統(tǒng)對(duì)TCS的降解率，30min時(shí)三元異質(zhì)結(jié)光電催化電極(83％)優(yōu)于二元(52.3％)與一元(ZnIn2S4，35％;g-C3N4，18％)。單位時(shí)間、單位催化劑rGO/ZnIn2S4/g-C3N4可去除780mg·g-1·h-1TCS，能耗僅為0.0

6、120KW·h·L-1。室內(nèi)自然光條件下，該三元復(fù)合光電催化劑中ZnIn2S4與g-C3N4界面間形成p-n異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)間電子自發(fā)轉(zhuǎn)移，rGO作為電子傳遞載體加速電子傳遞，有利于電子與空穴分離。
　　(4)在光電催化作用的基礎(chǔ)上，應(yīng)用聚苯胺改性濾布負(fù)載產(chǎn)電微生物作為陽(yáng)極以提高系統(tǒng)內(nèi)偏壓;制備三元g-C3N4-Fe-Co復(fù)合催化膜促進(jìn)催化劑與污染物之間的接觸作用，構(gòu)建具有產(chǎn)電與去除污染物雙重作用的催化膜生物燃料電池系統(tǒng)，在系統(tǒng)運(yùn)行

7、過(guò)程中，陰極負(fù)載g-C3N4-Fe-Co的電池電壓(0.5-0.4V)優(yōu)于對(duì)照組1(聚苯胺改性濾布陰極，0.2V)，與負(fù)載等量Pt-C催化劑的對(duì)照組2(0.5-0.3V)，最大功率密度分別為對(duì)照組1與2的38.5與2.4倍。COD與NH4+-N去除率分別為95.0±2.5％與85.0±2.5％，單位時(shí)間、單位催化劑g-C3N4-Fe-Co可去除1024mg·g-1·h-1COD與137mg·g-1·h-1NH4+-N，能耗為0.0137

8、KW·h·L-1。且所使用的陽(yáng)極材料、陰極材料、g-C3N4-Fe-Co材料成本分別降低約100倍，5倍、10倍。
　　綜上所述，本研究制備了具有較好光電催化性能的二元或三元復(fù)合光電催化劑，如TiO2/g-C3N4、WO3/W、rGO/ZnIn2S4/g-C3N4或g-C3N4-Fe-Co，構(gòu)建自偏壓光電催化燃料電池系統(tǒng)或催化膜生物燃料電池系統(tǒng)。室內(nèi)自然光條件下，復(fù)合光電催化劑間自生內(nèi)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電子自發(fā)轉(zhuǎn)移，活化氧氣產(chǎn)生自由基降解各