[发明专利]自偏压并可持续的微生物电氢解装置

说明书

发明领域

本发明一般涉及氢气生产。更具体而言，本发明涉及自持性的氢气生产。

发明背景

随着人口数量的急剧增长，为满足持续的经济增长和适宜的居住环境而对能源和净水存在日益增长的需求。工业和农业生产每年产生数百万吨的废水，仅在美国每年就要花费约250亿美元用于废水处理。现在迫切需要高能效的工艺以处理废水并同时从废水所含有机质中回收能源。认为利用微生物燃料电池(microbialfuelcell(MFC))技术或许可达成上述目标。MFC是生物电化学装置，其中使用产电细菌氧化有机质，将电子转移至电极并产生电能。除生物电以外，根据阴极电解质所用电子受体，微生物产生的电子也可用于制造各种化学燃料。

当质子作为末端电子受体起作用时，氢气会在阴极生成。虽然已经通过使用广范围的微生物和各种有机养分实验性地验证了微生物电氢解(electrohydrogenesis)工艺，但是热力学的制约限制了微生物产电，在没有施加外部偏压的情况下也会同时发生氢气的生成。为克服热力学的限制并补偿操作中的能量损失(例如因装置的电阻引起的损失)，需要0.2-1.0V的外部偏压来维持电流/氢的产生。然而，对外部偏压的要求增加了生产氢气的复杂性和成本，使之无法成为高性价比的能源方案。通过最优化MFC反应器、电极以及阴极上金属催化剂的种类，已付诸大量的努力来使能量损失最小化。也有报道指出微生物电氢解可通过太阳能电池或其它MFC来驱动。

所需要的是在零外部电势下产生生物电的装置，其能够利用生物可降解有机质和太阳光作为唯一能量来源而在零外部偏压下产生氢气。

发明内容

为解决所提出的问题，本发明提供一种混合型光电化学和微生物燃料电池装置，其包括：在水性电解质溶液中的具有n型TiO₂光阳极和Pt对电极的单室光电化学装置；和具有阳极室和阴极室的双室微生物燃料电池装置，所述阳极室和阴极室被阳离子交换膜分隔，其中阳极室包含碳阳极，阴极室包含载Pt碳阴极，所述阳极室包含微生物，所述碳阳极与Pt对电极电连接，所述载Pt碳阴极与TiO₂光阳极电连接，一个光源在TiO₂光阳极处产生光激发的电子-空穴对，所述电子-空穴对在TiO₂光阳极与电解质溶液界面处被电场分离，所述空穴将水氧化为氧，电子从TiO₂光阳极流向载Pt碳阴极，在此处阴极室中溶解的氧被还原，微生物氧化并产生生物电子，所述生物电子被转移至Pt电极并还原质子以形成氢气。

根据本发明的一个方面，所述水性电解质溶液包括Na₂SO₄水性电解质溶液。

在本发明的另一个方面中，所述载Pt碳阴极包括载Pt碳布阴极。

在本发明的另一个方面中，所述碳阳极包括碳布阳极。

根据本发明的另一个方面，所述微生物包括生物质。

在本发明的另一个方面中，所述微生物包括城市废水。

在本发明的一个方面中，所述TiO₂光阳极包括TiO₂纳米线-阵列式(nanowire-arrayed)光阳极。

根据本发明的另一个方面，所述双室微生物燃料电池装置包括空气阴极双室微生物燃料电池装置。

在本发明的另一个方面中，所述微生物包括厌氧和需氧微生物的混合群。

附图简述

图1a-1b中，根据本发明的一个实施方式，1a是PEC-MFC装置的示意性配置图，1b是说明该混合型装置中载流子的生成与转移的相应的能级图。

图2a-2b中，根据本发明的一个实施方式，2a是长在FTO基板上的TiO₂纳米线阵列的SEM照片，2b是以20mV/s的扫描频率得到的TiO₂纳米线-阵列式光阳极在0.5M的Na₂SO₄水溶液中的无光和照明(与AM1.5G滤光片偶联的150W氙灯，100mW/cm²)条件下的线性扫描伏安图，其中小图是零偏压附近的放大线性扫描伏安图。

图3a-3b中，根据本发明的一个实施方式，3a是典型的接种了MR-1的铁氰化物阴极MFC装置的极化-功率曲线，3b是寄居有MR-1的碳布电极的SEM照片，其中比例尺为5μm。