FESE 2023年1月 第17卷第1期

提  要

　　废水中的污染物蕴含着巨大的潜在化学能，可作为发电的碳源和能源物质。如何在去除水中污染物的同时从废水中回收能量，实现污染物高效去除与能源化并行是目前水处理研究面临的重要问题。本研究基于穿透式光催化阳极耦合空气阴极构建了废水燃料电池，实现了水中污染物的高效降解和同步产能，探索污水资源化和能源化的新路径。

图1 摘要图

研 究 概 览

　　本研究将具有高效的电子和质子转移储存能力的多金属含氧酸引入常见的光催化材料氯氧铋，通过两步水热法制备了光催化复合材料氯氧铋-磷钨酸铵（BiOCl-NH₄PTA）。相比于单独的氯氧铋（BiOCl）光催化剂，磷钨酸铵的引入一定程度上提升了光催化氧化污染物的能力（图2）。以染料RhB为目标污染物，研究确定了BiOCl和NH₄PTA 的掺杂比Bi:W=1:1时的协同作用具有最优光催化性能，90 min内将罗丹明B（RhB）几乎全部去除，对污染物的降解动力学常数是纯BiOCl的3.2倍。该复合光催化剂也可适用于较宽的pH范围。以此搭载的反应器试验中，穿透式廊道中的短暂黑暗未对光催化效果产生大的负面影响。多次循环中，光催化性能稳定性好，说明这种体系具有实现长时间稳定运行的可能性。

图2 (a) 不同Bi: W比BiOCl-NH₄PTA光催化降解RhB的动力学研究，(b)不同pH条件下光催化降解RhB的动力学研究，(c) 流过式和浸没式构型下光降解效率比较，(d) RhB光降解5次循环稳定性研究

　　受启发于光催化燃料电池，本研究结合空气阴极，构建了光辅助的穿透式电化学反应器(F-PFC)，形成废水燃料电池，实现有机污染物的降解和电能同步输出。研究考察了以污染物为基质的产电性能（图3），以RhB为底物，该废水燃料电池在维持高效降解污染物的同时，产电电流密度可达~267.1 μA/cm²，最大输出功率密度可达~16.2 μW/cm²。升高温度能进一步提升电流密度。而利用不同的污染物作为基质（甲基橙、罗丹明B、葡萄糖、淀粉），均能实现能量的输出。BiOCl-NH₄PTA本身的稳定性和耐久性以及其在燃料电池中电流的稳定输出均证实了这种燃料电池在实际应用中具有长时间运行的可行性。

图3 (a)不同pH值下F-PFC的电流密度和功率电流密度图; (b)不同污染物作为底物的电流密度和功率密度

　　机理：在废水燃料电池的运行中，光照下光生电子/空穴快速分离，污染物在空穴处被氧化降解。NH₄PTA作为电子载体和存储体，可以捕获并快速转移光生电子，延长了光生电子/空穴复合时间，将其传输到石墨阳极上。在空气阴极，不断泵入的氧气发生还原反应（ORR），从而形成了闭合回路，在外部电路中实现能量的输出，从而实现了污染物降解同步产能（图4）。

图4 穿透式燃料电池产电机理图

编 者 按

　　本研究通过高性能复合光催化的设计、结合穿透式构型强化传质，构建了新型废水燃料电池，将水中污染物的潜在化学能转化为电能，实现了废水能源化过程。与需要极端条件的燃料电池不同，该废水燃料电池可以在更广泛的pH范围和室温下运行，水中污染物无需预处理，可以直接作为底物进行发电；同时光催化单元和产电单元实现了空间分离，使其具有更易行的操作条件和工程放大潜力，为减污降碳协同提供了一种新的解决方案。

　　文稿 | 吉庆华，清华大学，FESE青年编委

　　审校 | 张 姣

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　　本文内容来自FESE期刊2023年第17卷第1期发表的Research article文章“A hybrid fuel cell for water purification and simultaneously electricity generation”。通讯作者为清华大学吉庆华副研究员。

　　引用格式：Yujun Zhou, Qinghua Ji, Chengzhi Hu, Huijuan Liu, Jiuhui Qu. A hybrid fuel cell for water purification and simultaneously electricity generation. Front. Environ. Sci. Eng., 2023, 17(1): 11

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