阴极表面亲疏水性对含氧自由基原位生成和避免产电菌膜过度生长的影响机制
批准号:
52070074
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
邹金龙
依托单位:
学科分类:
城市污水处理与资源化
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
邹金龙
中文摘要
微生物燃料电池(MFC)空气阴极过度生长的菌膜会使O2还原(ORR)的电荷传递受阻、废水产电效率下降;阴极表面亲疏水性(润湿性)对菌膜粘附与ORR路径有很大影响。项目通过调控催化剂表面性质,构建两电子ORR产物—H2O2催化分解(•OH、O_2^(•-)等)和不利于细菌附着与定植的阴极表面,实现原位抑制细菌成膜与过度生长以获得产电稳定性。具体以ZIF-67为骨架制备氮掺杂纳米碳层包裹的四氧化三钴/氮化钴@晶态碳(Co3O4/CoN@GC@NCL)催化剂;改变材料表面/层亲疏水程度(活性组分、纳米壳层厚度和结构)来调控气液两相中O2传输和两电子途径(H2O2)占比,进而控制含氧自由基的原位生成与利用;根据细菌粘附和材料-细菌交互作用(Zeta电位和DLVO理论计算)分析,优化材料亲疏水性和催化活性。根据阴极亲疏水性与产电性能关联,揭示以Co3O4/CoN@GC@NCL为阴极的MFC产电机制。
英文摘要
The overgrowth of biofilm formed on the surface of air cathode of microbial fuel cell (MFC) can hinder the charge transfer in the oxygen reduction reaction (ORR) process, resulting in a great decrease in the efficiency of bio-electricity generation from wastewater. Hydrophilicity/hydrophobicity (wettability) of the cathode surface has a great effect on bacterial adhesion and ORR catalytic pathway. This project aims to adjust the hydrophilicity/hydrophobicity of the cathode surface to establish the cathode surface with stable bio-electricity generation by strengthening the rapid decomposition of H2O2 (•OH, O_2^(•-) and H2O•) (the intermediate in two-electrons ORR pathway) and the inhibition of the biofilm attachment and growth on the cathode. ZIF-67 with a tetrahedral structure is used as a porous skeleton to prepare the nitrogen-doped nano carbon-thin-layer-coated tricobalt tetroxide/cobalt nitride@crystallized carbon (Co3O4/CoN@GC@NCL) core-shell catalysts. The degree of the hydrophilicity/hydrophobicity (including the active components, thickness of nano-shell and structure) of surface/layer is changed to regulate the O2 transport and the two-electron ORR pathway (H2O2) ratio in the gas-liquid two-phase, thereby controlling the in-situ catalysis and utilization of free radicals. Based on the analyses of the bacterial adhesion investigation and material-bacteria interactions (Zeta potential and DLVO theoretical calculations), the hydrophilicity/hydrophobicity and catalytic activity of the catalysts are optimized. According to the correlation between the hydrophilicity/hydrophobicity of the cathode and the bio-electricity generation performance, the electricity generation mechanism of MFC with Co3O4/CoN@GC@NCL materials as the cathode catalysts will be revealed.
本课题的研究重点包括以下两个问题:一是如何调控微生物燃料电池(SCMFCs)阴极催化剂表面的亲疏水性质,降低氧气还原反应(ORR)的活化能垒,促进过氧化氢(H2O2)的生成并催化分解为含氧自由基;二是如何更高效地避免细菌的粘附与过度生长,确保催化剂表面活性位点不被腐蚀,从而维持电子传递效率,保持ORR高效率。本项目利用碳热还原、原位氮化的方法,合成具有材料表面亲疏水性可调控、催化活性较高的钴基或氮化钴基催化剂。1)合成具有高ORR活性的Co基催化剂(Co-NC),通过改变材料表面的亲疏水程度来调控气液两相中O2浓度,进而调控ORR过程中两电子途径(H2O2)的占比,来控制含氧自由基的生成。同时,构建不利于细菌附着与定植以及可促进吸附态的H2O2快速催化分解(•OH、O2-•和H2O•)的微生物电催化(SCMFC)阴极表面,实现催化剂原位抑制阴极表面产电细菌的成膜与过度生长,同时获得较低的电子转移内阻和高效的ORR过程。根据以Co基催化剂材料为阴极的SCMFC降解有机污水的长期运行稳定性,阐释了阴极表面亲疏水性对ORR活性与电子转移途径的影响及产电机制。2)硒化钴(CoSe2)在电催化过程中存在聚集和低活性位点密度的问题,导致其ORR的性能较差。通过界面工程,构建CoSe2/CoN异质结,能促进界面电子转移,提高催化活性。在CoN形成的同时实现了CoSe2的相变,形成了具有高活性的异质界面。c-CoSe2中的Co位点是ORR的主要活性位点,原位引入CoN能调整其电子结构,降低热力学势垒。该异质界面工程通过硒化物相变调节了Co基氮化物的ORR活性,为优化电催化剂的性能提供了新途径。3)采用原位部分氮化策略,对CoFe合金进行氮化,使其在竹状碳纳米管中原位生成Co5.47N。这种原位部分氮化策略有效地创建了Co5.47N-CoFe异质界面,解决了导电性差的问题,并为ORR提供了更多的活性位点。Co-N共价键与具有典型金属行为的CoFe合金结合,调节了局部电子结构,并能够优化Co5.47N-CoFe的d带中心位置。通过这一策略,可以优化氧中间体的吸附强度,从而显著提升内在的氧气电催化活性。
Co/Cu基异质结构建及利用微生物电催化NO3-还原为N2的选择性机制
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批准号:52470073
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项目类别:面上项目
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资助金额:48.00万元
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批准年份:2024
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负责人:邹金龙
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依托单位:
以具有抗积碳与氧还原活性的氮掺杂银/氮化铁/晶态碳为阴极的微生物燃料电池产电机制
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批准号:51578218
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项目类别:面上项目
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资助金额:65.0万元
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批准年份:2015
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负责人:邹金龙
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依托单位:
剩余污泥中重金属的分子形态与释放/转化的动态关联
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批准号:51108162
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:26.0万元
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批准年份:2011
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负责人:邹金龙
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依托单位:
国内基金
海外基金