生物电化学系统电极界面的活性与稳定性调控机制研究

成果基本信息
关键词：	生物电;电化学系统;电极;界面;能源
成果类别：		技术成熟度：
体现形式（基础理论类）：		体现形式（应用技术类）：	无
成果登记号：	360-18-11010319	资源采集日期：	2019-03-15

研究情况
单位名称：	浙江大学	技术水平：
评价证书号：		评价单位：
评价日期：		评价证书号：

转化情况
转让范围：		推广形式：	无
已转让企业数（个）：	0

联系方式
联系人（平台）：	玉女士	联系人（平台）电话：	0771-5885053
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成果简介
水环境污染和能源短缺是制约我国经济社会发展的两大重要问题。传统废水处理技术需要消耗大量电能，且无法充分利用废水中蕴含的化学能源和物质资源，造成能源和资源浪费，使得废水处理行业难以可持续发展。因此，发展新型的废水处理与资源化利用技术是当前我国废水处理领域的迫切需求。生物电化学系统充分挖掘废水中潜藏的巨大能源和资源，是一种可同步实现污水净化、能源回收和资源利用的新兴技术，对解决现有废水处理成本高、能源和资源浪费问题，推动废水处理行业的可持续发展具有重要意义，已受到全世界的广泛关注。生物电化学系统的电极界面过程是实现废水中有机/无机污染物（COD、N、P、重金属等）脱除、能源（电、氢气和甲烷等）与资源（金属等）回收的关键，其相关基础理论研究对于揭示生物电化学系统运行机理、提升系统性能具有重要价值。项目组围绕生物电化学系统电极界面电流导出/导入、化学反应和生物代谢等关键过程，发展普适性和特殊环境下的电极界面过程调控理论，解决生物电化学系统的有效性和稳定性等关键科学问题，经过近十年的潜心研究，取得了以下创新性成果：　　1. 建立了普适性生物电化学系统电极界面电流导出/导入、化学反应和生物代谢过程调控理论　　建立了电极能耗和电位降分布模型；通过理论模拟和实验研究，发现电子导出/导入方式显著影响生物电化学系统性能；提出了多线电流导出策略，降低电极能耗达53%。以三维集电体替代二维集电体，构建了催化剂均匀分布、有利于电极反应的气、固、液三相电极界面，获得了高性能非贵重金属催化剂空气阴极；提出了基于土著微生物接种、环境刺激富集优势电化学活性微生物的电极界面调控新方法。形成了生物电化学系统电极界面电子导出/导入、化学反应和生物代谢过程的调控理论，为实现生物电化学系统性能优化奠定了理论基础。　　2．发展了复杂环境下电极界面过程调控方法，突破生物电化学系统低效产能的局限性　　揭示了水压对生物阳极与空气阴极的作用过程和机制，构造出基于三维集电体廉价催化剂的氧还原界面结构，为系统放大化和实用化奠定基础；发明了有效抑制阴极表面生物生长、显著提高阴极氧还原催化稳定性的电极界面抗生素处理方法；揭示了生物阳极对温度的响应机制，发明了以生物电化学系统常温启动、低温驯化构建低温工作电极界面的新方法，突破了生物电化学系统无法在低温下工作的局限性；揭示了复杂基质下生物电化学系统形成水解微生物与电化学活性微生物共生长的电极界面过程机制，发明了特定微生物接种富集技术，构造出纤维素等复杂基质的原位水解、高效利用电极界面，有效提高了复杂基质的产电效率（功率密度提高3.6倍）；基于古细菌电化学催化还原二氧化碳产甲烷新途径，建立了抑制产甲烷、强化产氢的生物电化学系统电极界面调控新策略，使产氢速率由2.5m3-H2/m3d 提高至17.5m3-H2/m3d。　　3．揭示了阴极界面有毒污染物降解和重金属回收过程与机制，实现有毒污染物稳定降解和重金属高效回收　　明晰了影响电化学活性微生物菌群结构、降低电极界面过电势、降解或矿化有毒污染物的关键因素。针对Cr（VI）、Cu（II）、Cd（II）等重金属难处理的现实，提出了化学阴极界面调控高效还原重金属、生物阴极界面调控电化学活性微生物回收金属的新途径；阐明了化学阴极界面、生物阴极界面的有毒污染物降解或矿化和金属回收过程与机制；发明了基于生物电化学系统阴极界面过程的多种金属梯阶回收新方法。　　综上，项目组围绕生物电化学系统电极界面电流导出/导入、化学反应和生物代谢等关键过程开展基础理论研究，发展新的电极界面调控理论，突破生物电化学系统低效产能的局限性，实现生物电化学系统有毒污染物稳定降解与重金属高效回收。研究成果拓展了生物电化学系统的相关基础理论，对于提升系统污染物脱除同步能源与资源回收性能具有重要意义，有利于推动我国废水处理行业的可持续发展。在项目执行期间，发表SCI论文44篇，获授权发明专利10项；10篇代表性论文平均影响因子5.624，总引用次数611次，SCI他引524次，单篇SCI他引最高116次。项目完成人成少安入选Clarivate Analytics公司（原汤森路透旗下知识产权与科技事业部）发布的2014、2015、2016、2017年全球高被引科学家榜单，和2014、2015、2016、2017年思唯尔中国高被引学者榜单。

成果名称：	生物电化学系统电极界面的活性与稳定性调控机制研究	关键词：	生物电;电化学系统;电极;界面;能源
成果类别：		一级分类名称：	环境生物科学
二级分类名称：	废水处理与利用	三级分类名称：
研究起止时间：	2008.01 至2015.12	成果体现形式（应用技术类）：	无
成果属性：		成果体现形式（基础理论类）：
技术成熟度：		技术水平：
研究形式：		学科分类1：
单位名称：	浙江大学	学科分类2：
中图分类号1：		所属高新技术类别：
中图分类号2：		课题来源：
应用行业：		课题立项名称：
国家科技计划子类别：		课题立项编号：	51278448
经费实际投入额（万元）：	0.00	评价单位：
评价形式：	无	应用状态：	无
评价日期：		转让范围：
评价证书号：		推荐单位：
推广形式：	无	成果登记号：	360-18-11010319
成果简介：	水环境污染和能源短缺是制约我国经济社会发展的两大重要问题。传统废水处理技术需要消耗大量电能，且无法充分利用废水中蕴含的化学能源和物质资源，造成能源和资源浪费，使得废水处理行业难以可持续发展。因此，发展新型的废水处理与资源化利用技术是当前我国废水处理领域的迫切需求。生物电化学系统充分挖掘废水中潜藏的巨大能源和资源，是一种可同步实现污水净化、能源回收和资源利用的新兴技术，对解决现有废水处理成本高、能源和资源浪费问题，推动废水处理行业的可持续发展具有重要意义，已受到全世界的广泛关注。生物电化学系统的电极界面过程是实现废水中有机/无机污染物（COD、N、P、重金属等）脱除、能源（电、氢气和甲烷等）与资源（金属等）回收的关键，其相关基础理论研究对于揭示生物电化学系统运行机理、提升系统性能具有重要价值。项目组围绕生物电化学系统电极界面电流导出/导入、化学反应和生物代谢等关键过程，发展普适性和特殊环境下的电极界面过程调控理论，解决生物电化学系统的有效性和稳定性等关键科学问题，经过近十年的潜心研究，取得了以下创新性成果：　　1. 建立了普适性生物电化学系统电极界面电流导出/导入、化学反应和生物代谢过程调控理论　　建立了电极能耗和电位降分布模型；通过理论模拟和实验研究，发现电子导出/导入方式显著影响生物电化学系统性能；提出了多线电流导出策略，降低电极能耗达53%。以三维集电体替代二维集电体，构建了催化剂均匀分布、有利于电极反应的气、固、液三相电极界面，获得了高性能非贵重金属催化剂空气阴极；提出了基于土著微生物接种、环境刺激富集优势电化学活性微生物的电极界面调控新方法。形成了生物电化学系统电极界面电子导出/导入、化学反应和生物代谢过程的调控理论，为实现生物电化学系统性能优化奠定了理论基础。　　2．发展了复杂环境下电极界面过程调控方法，突破生物电化学系统低效产能的局限性　　揭示了水压对生物阳极与空气阴极的作用过程和机制，构造出基于三维集电体廉价催化剂的氧还原界面结构，为系统放大化和实用化奠定基础；发明了有效抑制阴极表面生物生长、显著提高阴极氧还原催化稳定性的电极界面抗生素处理方法；揭示了生物阳极对温度的响应机制，发明了以生物电化学系统常温启动、低温驯化构建低温工作电极界面的新方法，突破了生物电化学系统无法在低温下工作的局限性；揭示了复杂基质下生物电化学系统形成水解微生物与电化学活性微生物共生长的电极界面过程机制，发明了特定微生物接种富集技术，构造出纤维素等复杂基质的原位水解、高效利用电极界面，有效提高了复杂基质的产电效率（功率密度提高3.6倍）；基于古细菌电化学催化还原二氧化碳产甲烷新途径，建立了抑制产甲烷、强化产氢的生物电化学系统电极界面调控新策略，使产氢速率由2.5m3-H2/m3d 提高至17.5m3-H2/m3d。　　3．揭示了阴极界面有毒污染物降解和重金属回收过程与机制，实现有毒污染物稳定降解和重金属高效回收　　明晰了影响电化学活性微生物菌群结构、降低电极界面过电势、降解或矿化有毒污染物的关键因素。针对Cr（VI）、Cu（II）、Cd（II）等重金属难处理的现实，提出了化学阴极界面调控高效还原重金属、生物阴极界面调控电化学活性微生物回收金属的新途径；阐明了化学阴极界面、生物阴极界面的有毒污染物降解或矿化和金属回收过程与机制；发明了基于生物电化学系统阴极界面过程的多种金属梯阶回收新方法。　　综上，项目组围绕生物电化学系统电极界面电流导出/导入、化学反应和生物代谢等关键过程开展基础理论研究，发展新的电极界面调控理论，突破生物电化学系统低效产能的局限性，实现生物电化学系统有毒污染物稳定降解与重金属高效回收。研究成果拓展了生物电化学系统的相关基础理论，对于提升系统污染物脱除同步能源与资源回收性能具有重要意义，有利于推动我国废水处理行业的可持续发展。在项目执行期间，发表SCI论文44篇，获授权发明专利10项；10篇代表性论文平均影响因子5.624，总引用次数611次，SCI他引524次，单篇SCI他引最高116次。项目完成人成少安入选Clarivate Analytics公司（原汤森路透旗下知识产权与科技事业部）发布的2014、2015、2016、2017年全球高被引科学家榜单，和2014、2015、2016、2017年思唯尔中国高被引学者榜单。
联系人：	赵彬	成果登记日期：	2018-06-25
联系人email：		单位代码：	93300019
邮政编码222：	310058	联系人电话：	0571-88981082
单位传真：	0571-88981358	单位通讯地址：	浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号
单位所在省市：		单位电话：	0571-87951111;88981082
转让收入（万元）：	0	单位属性：
合作完成单位：	大连理工大学	已转让企业数（个）：	0
成果发布年份：	2018	知识产权形式：
成果完成人：	成少安;黄丽萍;刘伟凤	资源采集日期：	2019-03-15

生物电化学系统电极界面的活性与稳定性调控机制研究

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