CN103296299A - 生物光电化学池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物光电化学池，包括微生物氧化有机物燃料产生电子的阳极系统，还包括阴极系统，所述阴极系统包括阴极液，以及作为光阴极材料的p型半导体。本发明的化学池，阳极系统中的微生物氧化有机物燃料产生电子，作为光阴极的p型半导体硅片在光照下光生电子跃迁到导带上，阳极产生的电子与留在价带的光生空穴结合抑制了光生载流子的复合，从而促进了光生电子的催化效率，即促进了光生电子的还原质子的反应，从而强化光阴极催化制氢。本发明所述装置结构简单、操作简便，便于工业生产。本发明所述技术能够有效利用太阳能和生物能，在处理污染物的同时产电和产氢，具有良好的经济效益和环境效益。

Description

生物光电化学池
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池领域，特别涉及一种通过生物阳极强化的阴极光催化制氢装置。
背景技术
微生物燃料电池能在产电菌的作用下实现废弃物处置和电能回收，是一种具有较大前景的环境污染控制与清洁能源生产技术。微生物燃料电池以微生物为阳极催化剂，一般由生物阳极和化学阴极构成。
氢气因其清洁、能量密度高、无污染等一系列优点而成为关注的焦点，光解水制氢技术能直接利用水和太阳光进行产氢，尤其是光阴极制氢技术被认为具有很大前途的制氢途径。然而，在光阴极制氢系统中，经常需要一个外加偏压去克服产氢和产氧过电位。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种生物光电化学池。将光催化阴极制氢与生物阳极结合，构建新型的光电生物制氢系统，在光照下实现阴极强化产氢、阳极污染物处置和装置的同步产电。
为了实现上述的目的，本发明的技术方案是：一种生物光电化学池，包括微生物处理废水产生电子、质子的阳极系统，还包括阴极系统，所述阴极系统包括阴极液，以及作为光阴极的p型半导体。
优选的是，所述p型半导体为硅片。
优选的是，所述硅片具有纳米线结构，并且修饰有助催化剂。
优选的是，所述阴极液为氯化钠或硫酸钠等电解质的水溶液。
优选的是，所述阴极系统中的阴极室为光透过的石英玻璃。
优选的是，所述阳极系统中的阳极材料为碳毡。
优选的是，所述阳极系统中的阳极液为普通缓冲盐和有机燃料。
优选的是，所述阳极液和阴极液通过离子交换膜隔开。
优选的是，所述阳极系统还包括供微生物附着的石墨粒。
优选的是，所述阳极系统中的阳极室具有进液口和出液口。
本发明的池，阳极系统中的微生物氧化有机物燃料产生电子，作为光阴极的p型半导体硅片在光照下光生电子跃迁到导带，阳极产生的电子与留在价带的光生空穴结合抑制了光生载流子的复合，从而促进了光生电子的催化效率，即促进了光生电子的还原质子的反应，从而强化光阴极催化制氢。本发明所述装置结构简单、操作简便，便于工业生产。本发明所述技术能够有效利用太阳能和生物能，在处理污染物的同时产电和产氢，具有良好的经济效益和环境效益。
附图说明
图1示出了本发明化学池的结构示意图。
图2示出了本发明化学池3个周期的产电测试图(52欧姆外电阻)。
图3示出了本发明化学池3个周期的产氢测试图。
具体实施方式
为了使本发明解决的技术问题、采用的技术方案、取得的技术效果易于理解，下面结合具体的附图，对本发明的具体实施方式做进一步说明。
参考图1，本发明公开的一种生物光电化学池，包括微生物处理废水产生电子、质子的阳极系统，具体地将，包括阳极室1，其可以是玻璃材料制成，在本发明的一个具体的实施例中，采用的是厌氧微生物，故该阳极室1需要密封塞10进行密封。使用碳毡作为阳极材料6，所述阳极室1内含有待降解的有机废水，本发明的废水采用乙酸钠模拟的实际废水，采用厌氧污泥为接种微生物，在微生物的作用下，废水被分解为二氧化碳、电子和质子。为了提高降解的效率，所述阳极室1中还填充有供微生物附着的石墨粒8。为了实现连续的反应，所述阳极室1具有进液口4和出液口5。
本发明的阴极系统包括阴极室2，本发明的阴极室2需要光透过，故该阴极室2优选采用透明的石英玻璃，并采用p型半导体硅片作为光阴极7，为了便于测量，该光阴极7通过外电路9和阳极材料6连通。阴极液可以采用氯化钠或硫酸钠等的水溶液。为了便于测量，阴极室还设有采气孔12。阳极室1和阴极室2通过离子交换膜3隔开。
本发明的化学池，阳极系统中的微生物氧化有机物燃料产生电子，作为光阴极的p型半导体硅片在光照下其光生电子跃迁到导带，阳极产生的电子与留在价带的光生空穴结合抑制了光生载流子的复合，从而促进了光生电子的催化效率，即促进了光生电子的还原质子的反应，从而强化光阴极催化制氢。参考图2、图3，图2为3个周期的产电情况(52欧姆外电阻)，图3为3个周期的产氢情况。本发明所述装置结构简单、操作简便，便于工业生产。本发明所述技术能够有效利用太阳能和生物能，在处理污染物的同时产电和产氢，具有良好的经济效益和环境效益。
优选的是，本发明的p型半导体硅片通过本领域所熟知的方式制成硅纳米线结构，可提高光吸收能力和反应的效率；进一步地，在其表面修饰助催化剂，例如钯、铂等，从而提高硅纳米线的开始还原电位和降低还原过电位。
本发明的阳极系统和阴极系统均为现有的技术，对于本领域的技术人员来说，对于阳极系统或阴极系统进行常规的改变是显而易见的，例如阴极液的选择等等。
本发明已通过优选的实施方式进行了详尽的说明。然而，通过对前文的研读，对各实施方式的变化和增加也是本领域的一般技术人员所显而易见的。申请人的意图是所有这些变化和增加都落在了本发明权利要求所保护的范围中。
相似的编号通篇指代相似的元件。为清晰起见，在附图中可能有将某些线、层、元件、部件或特征放大的情况。
本文中使用的术语仅为对具体的实施例加以说明，其并非意在对本发明进行限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）均与本发明所属领域的一般技术人员的理解相同。

Claims (10)

1.一种生物光电化学池，包括微生物处理废水产生电子、质子的阳极系统，还包括阴极系统，其特征在于：所述阴极系统包括阴极液，以及作为光阴极的p型半导体。
2.根据权利要求1所述的化学池，其特征在于：所述p型半导体为硅片。
3.根据权利要求2所述的化学池，其特征在于：所述硅片具有纳米线结构，并且修饰有助催化剂。
4.根据权利要求1所述的化学池，其特征在于：所述阴极液为氯化钠或硫酸钠的水溶液。
5.根据权利要求1所述的化学池，其特征在于：所述阴极系统中的阴极室为光透过的石英玻璃。
6.根据权利要求1所述的化学池，其特征在于：所述阳极系统中的阳极材料为碳毡。
7.根据权利要求6所述的化学池，其特征在于：所述阳极系统中的阳极液为普通缓冲盐和有机燃料。
8.根据权利要求7所述的化学池，其特征在于：所述阳极液和阴极液通过离子交换膜隔开。
9.根据权利要求7所述的化学池，其特征在于：所述阳极系统还包括供微生物附着的石墨粒。
10.根据权利要求1所述的化学池，其特征在于：所述阳极系统中的阳极室具有进液口和出液口。
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