[发明专利]一种四氧化三钴光电阴极强化产电去污的SMFCs及制备方法

说明书

本发明公开了一种四氧化三钴光电阴极强化产电去污的SMFCs及制备方法，外导线分别与四氧化三钴光电阴极、外接电阻相连，生物阳极与外接电阻相连，在生物阳极上设有沉积物层。步骤是：(1)将硝酸钴溶于甲醇溶液中，加入去离子水，得红色溶液；(2)将十二烷基苯磺酸钠加入步骤1中，得红色溶液；(3)将悬浮液置于特氟龙内衬不锈钢高压釜中，在烘箱中加热，冷却至室温得到负载于石墨毡上的四氧化三钴前驱体；(4)将得前驱体分别用乙醇和去离子水洗涤，洗涤后在烘箱中干燥；(5)将马弗炉中煅烧，得到Co₃O₄光电阴极。采用产氧特性的Co₃O₄光催化剂负载碳基电极为SMFC光电阴极。有效提高了阴极氧还原反应速率，降低了光生电子空穴对的复合。

技术领域

本发明属于环保行业，更具体涉及一种Co3O4光催化材料作产氧光电阴极强化产电去污的沉积物型微生物燃料电池(SMFCs)，同时还涉及一种Co₃O₄光电阴极的制备方法，它利用太阳光辐射为推动力，采用Co₃O₄光催化材料负载电极作光电阴极强化沉积物型微生物燃料电池修复湖泊内源污染和产电性能。

背景技术

沉积物是淡水环境生态系统的重要组成部分，也是包含大量微生物和化学物质为一体的特殊生态环境。其中的微生物是水-沉积物物质循环的主要推动力，在物质循环中起着十分重要的作用利用沉积物中微生物的自然代谢活动进行生物修复已被广泛接受为可行的选择，但其效率相对较低、可控性较差，严重制约了其应用。对此，有研究提出了电化学方法可以作为一种有效的手段来刺激沉积物生物修复的概念。

沉积物微生物燃料电池(Sediment microbial fuel cells,SMFCs)是一种基于沉积物环境体系的电化学装置，通过利用环境中自然存在的泥水界面位能梯度，为底泥层提供电子受体，利用其中微生物的催化作用，将有机物中的化学能直接转变为电能，实现底泥的原位修复的同时产生电能。

目前对SMFCs的研究集中于产电和生物修复方向，但是由于受到传质限制和高分子有机质的生物可利用性及阴极氧还原反应(Oxygen reduction reaction,ORR)速率的限制，SMFCs降解效率仍低于大多数的化学强化过程，而且输出功率低。氧气是SMFCs阴极最优的电子受体，有研究表明阴极适当进行表面曝气增加上覆水中溶解氧浓度可以提高SMFCs的电能输出，提高沉积物中有机质的降解速率。为提高阴极ORR速率，通常会引入Pt等贵金属作为MFC阴极ORR催化剂来提高体系的输出功率。但由于Pt的高成本和对中毒的敏感性，目前多研究其可替代的电催化剂。

Co₃O₄是一种p型半导体，具有较高的热稳定性和化学稳定性、低溶解度以及电催化性能等特点，因其优异的氧化能力、对可见光较强吸收能力和较低的能带隙(2.1eV)被广泛研究用于光解催化生成O₂。Co₃O₄多以电催化剂的角色应用于MFCs电极，由于其具有ORR催化活性，可以加快电极表面ORR的进行，显著降低阴极电阻，从而使得整个体系的内阻明显降低，提高MFCs体系性能。但是关于Co₃O₄作为光电催化剂在SMFCs的应用未见报道。

发明内容