电沉积法制备微藻耦合光催化燃料电池k-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>-PPy/TF复合光阳极

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2025-0206

摘要/Abstract

摘要：

采用电沉积法在泡沫钛（TF）基底上负载钾离子（K⁺）掺杂的g-C₃N₄（记作k-C₃N₄）与聚吡咯（PPy）构建k-C₃N₄-PPy/TF复合光阳极，通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）表征证实所制备的k-C₃N₄-PPy/TF电极表面为具有氨基/羟基官能团修饰的三维多孔丝网状结构，这为小球藻生物膜的附着提供了理想界面。电化学性能测试表明，光阳极上生长的小球藻生物膜能够参与电子传递并与光催化层电子传递路径形成协同作用，将界面电荷转移电阻显著降低至14 589 Ω，较裸TF降低30.5%。基于k-C₃N₄-PPy/TF构建微藻耦合光催化燃料电池（mPFC），其最大功率密度达2 889 mW/m²，较传统光催化燃料电池（PFC，1 852 mW/m²）提升56%，且COD去除率提高至73%，可见该mPFC系统在实现污染物降解的同时具备良好的电能输出能力，在富营养化水体修复与能源回收领域展现出良好的应用前景。

关键词: 电沉积, 小球藻, 复合光阳极, 光催化, 微藻生物燃料电池

Abstract:

The K⁺-doped g-C₃N₄(recorded as k-C₃N₄) and polypyrrole(PPy) were deposited on titanium foam(TF) via electrodeposition. Structural characterization using scanning electron microscopy(SEM), X-ray diffraction(XRD), and Fourier-transform infrared spectroscopy(FTIR) confirmed the formation of a three-dimensional porous network structure decorated with amino and hydroxyl functional groups, providing an ideal interface for Chlorella biofilm attachment. Electrochemical tests revealed that the growth of Chlorella biofilm on the photoanode could participate in electron transfer and formed a synergistic effect with the electron transfer pathway of the photocatalytic layer, significantly reducing the interfacial charge transfer resistance to 14 589 Ω, with a 30.5% decrease compared to bare TF. Microalgae-coupled photocatalytic fuel cell(mPFC) was constructed based on k-C₃N₄-PPy/TF, which achieved a maximum power density of 2 889 mW/m², representing a 56% improvement over the conventional photocatalytic fuel cell(PFC, 1 852 mW/m²). Additionally, the COD removal rate was increased to 73%. This demonstrates that the mPFC system not only exceled in pollutant degradation but also maintained robust power output capabilities, showing promising applications in the remediation of eutrophic water bodies and energy recovery.

Key words: electrodeposition, Chlorella, composite photoanode, photocatalysis, microalgae-microbial fuel cell

中图分类号:

TM911.45

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https://www.iwt.cn/CN/Y2026/V46/I2/111

图/表 18

图1 MFC实验装置

Fig.1 Experimental installation of MFC

图2 粉末态k-C₃N₄（a）、裸TF电极（b）和k-C₃N₄-PPy/TF复合光阳极（c）的SEM

Fig.2 SEM images of powdered k-C₃N₄（a），naked TF electrode（b），k-C₃N₄-PPy/TF composite photoanodes（c）

图3 在小球藻液中自然暴露不同时间的裸TF电极和k-C₃N₄-PPy/TF复合光阳极的SEM （a）~（d）为裸TF电极在小球藻液中分别暴露3、5、7、15 d，（e）~（h）为k-C₃N₄-PPy/TF在小球藻液中分别暴露3、5、7、15 d。

Fig.3 SEM of naked TF electrode and k-C₃N₄-PPy/TF composite photoanode exposed to Chlorella solution for different time

图4 有裸TF电极和k-C₃N₄-PPy/TF复合光阳极暴露时小球藻的生长曲线

Fig.4 The growth curves of Chlorella exposed to the naked TF electrode and the k-C₃N₄-PPy/TF composite photoanode respectively

图5 在小球藻液中暴露不同时间的电极生物负载量

Fig.5 Electrode biofilm loading after varying exposure times in Chlorella suspension

图6 g-C₃N₄与k-C₃N₄的XRD

Fig.6 XRD patterns of g-C₃N₄ and k-C₃N₄

图7 k-C₃N₄、裸TF电极与k-C₃N₄-PPy/TF复合光阳极的XPS

Fig.7 XPS spectra of k-C₃N₄，naked TF electrode and k-C₃N₄-PPy/TF composite photoanodes

图8 k-C₃N₄、裸TF电极与k-C₃N₄-PPy/TF复合光阳极的FTIR

Fig.8 FTIR spectra of k-C₃N₄，naked TF electrode and k-C₃N₄-PPy/TF composite photoanodes

图9 k-C₃N₄-PPy/TF复合光阳极的瞬态光电流响应

Fig.9 Transient photocurrent response of k-C₃N₄-PPy/TF composite photoanodes

图10 不同电极的Tafel曲线

Fig.10 Tafel curves of different electrodes

图11 裸TF电极和k-C₃N₄-PPy/TF复合光阳极在小球藻液中暴露不同时间的交换电流密度和交换电位的变化

Fig.11 Changes in the exchange current density and exchange potential of naked TF electrode and k-C₃N₄-PPy/TF composite photoanodes during different stages of exposure to Chlorella suspension

图12 裸TF电极和k-C₃N₄-PPy/TF复合光阳极暗条件和UV条件下的EIS谱图

Fig.12 EIS of naked TF electrode and k-C₃N₄-PPy/TF composite photoanodes under dark conditions and UV conditions

图13 不同电极的EIS等效电路

Fig.13 EIS equivalent circuit of different electrodes

表1 EIS谱图的电荷转移阻抗（R _ct）和附加阻抗（R _pf）拟合值

Table 1 Fitted charge transfer impedance （R _ct） and solution resistance （R _pf） from EIS spectra

电极	R _ct/Ω	R _pf/Ω
裸TF电极	21 002
k-C₃N₄-PPy/TF-暗	55 749	2 369
k-C₃N₄-PPy/TF-UV	8 484	2 967

图14 k-C₃N₄-PPy/TF复合光阳极暴露在小球藻液中不同时间的EIS谱图

Fig.14 EIS of k-C₃N₄-PPy/TF composite photoanodes exposed to Chlorella solution for different time

图15 k-C₃N₄-PPy/TF复合光阳极暴露在小球藻液中不同时间的EIS拟合阻值

Fig.15 EIS fitting resistance of k-C₃N₄-PPy/TF composite photoanodes exposed to Chlorella solution for different time

图16 单个周期内COD的去除效率

Fig.16 COD removal efficiency within a single cycle

图17 PFC和mPFC的产电性能（a）不开紫外灯mPFC的输出功率密度；（b）紫外灯下PFC和mPFC的输出功率密度；（c）紫外灯下PFC和mPFC的极化曲线。

Fig.17 Electricity generation performance of PFC and mPFC

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