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2,4,6?三氯苯酚(2,4,6-Trichlorophenol, TCP)是一种广泛存在于杀菌杀虫剂、染料中间体等工业废水中的难降解物质，具有致畸、致癌、致突变的毒性，不易被生物代谢和转化，一旦进入水体，则可能对水生生物的发育和繁殖造成影响，并通过生物累积最终沿食物链威胁人类健康。将光催化与微生物燃料电池(Micorbial fuel cell, MFC)耦合可以实现难降解有机物的高效降解，基于目前研究提供的科学理论基础，若能充分发挥两者优势，不仅可以实现污染物的绿色高效处理，而且以上两种技术的协同作用将同时实现光催化效率和MFC产电效率的提高。由于MFC产电菌主要富集在阳极，为了尽可能减小光催化对MFC产电微生物的负面影响，本课题选择在MFC阴极进行光催化耦合，构建空气型光催化阴极微生物燃料电池，实现TCP的高效降解和MFC的稳定运行。本文主要研究内容和研究结果包括：
(1)N掺杂TiO2光催化材料制备及空气型光催化阴极构建。采用溶胶凝胶法结合水热法制备N掺杂TiO2，通过对制备的光催化材料进行材料表征和非均相光催化降解实验，选择N掺杂比例最优的材料(N:Ti=4)用于空气型光催化阴极制备。空气型光催化阴极以PDMS材料作为气体扩散层，以层层叠覆方式依次负载导电集流材料和光催化材料，并形成网格状交错分布的结构，以实现良好的电子传递和空气扩散效果，并保证了光催化材料与电解液充分接触，使光催化降解和阴极氧还原得以同步进行。
(2)空气型光催化阴极MFC中的降解效率和运行性能分析。以传统空气阴极MFC为对照组，以碳负载量以及是否负载光催化材料为变量，构造空气型光催化阴极MFC实验组，对TCP的降解以及运行稳定性进行评估。采用10mg/L、30mg/L、50mg/L的TCP浓度梯度进行驯化，并测定每个浓度下TCP降解效率；同时对光催化空气阴极进行12h间歇光照驯化，对MFC光响应电压输出进行检测。研究表明，负载光催化材料和光照驯化过程提高了空气型光催化阴极的TCP降解效率及矿化程度，且相较对照组表现出更佳的长时间运行稳定性：当导电材料负载量为135mg活性炭和15mg碳黑时，负载光催化材料的MFC对50mg/LTCP在72h内降解率达到100%，相比未负载光催化材料的MFC实验组降解率提高了11.5%，施加光照将其降解速率由0.319h?1提升至0.913h?1；在经过130天相同条件培养后，空气型光催化阴极MFC电压峰值下降至初始值的17%，而对照组电压峰值下降至初始值的56%，一周期内腔室水分散失率分别为8.5%和73.0%。
(3)空气型光催化阴极MFC降解TCP的原理解析。通过循环伏安法(Cyclic voltammetry, CV)和电化学阻抗谱(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)分析及阴极氧气扩散速率计算，结合微生物群落结构分析，证明负载光催化材料可使阴极氧气扩散速率由0.67mgL?1降低至0.28mgL?1，阻碍了氧气向阳极的传递，进而减少了基质的好氧降解，并降低了基质降解过程的电子转移内阻，平衡了阴极微生物群落结构；在空气型光催化阴极MFC中，2,4,6?三氯苯酚的高效降解取决于两个关键因素：一方面是由于阴极表面光催化作用产生的空穴?光生电子及后续氧活性基团，另一方面是由于阴极的独特构造结合驯化培养方式形成了电化学活性菌占比高、可降解污染物的细菌协同作用的微生物群落结构。在该耦合体系中，通过中间产物液相质谱分析及DFT计算，证明该体系具有良好的降解矿化能力，且同时存在光催化与微生物降解路径。阴极表面光催化反应生成的光生电子可率先与阴极表面电子受体发生反应，而空穴则与从阳极经外电路转运来的电子结合，同时提高了光催化降解效率与MFC产电效率；此外光照和光催化材料负载作为外部环境因素影响了体系中微生物群落分布，使得阴极存在电化学活性菌且占比55.2%，并驯化形成了包括Thauera(陶厄氏菌属)、Paracoccus(副球菌属)、Arenimonas(铁矿沙单孢菌属)、Comamonas(丛毛单胞菌属)和Acidovorax(食酸菌属)在内的多种可降解芳香化合物的微生物结构，形成了稳定高效的光电协同作用。
(1)N掺杂TiO2光催化材料制备及空气型光催化阴极构建。采用溶胶凝胶法结合水热法制备N掺杂TiO2，通过对制备的光催化材料进行材料表征和非均相光催化降解实验，选择N掺杂比例最优的材料(N:Ti=4)用于空气型光催化阴极制备。空气型光催化阴极以PDMS材料作为气体扩散层，以层层叠覆方式依次负载导电集流材料和光催化材料，并形成网格状交错分布的结构，以实现良好的电子传递和空气扩散效果，并保证了光催化材料与电解液充分接触，使光催化降解和阴极氧还原得以同步进行。
(2)空气型光催化阴极MFC中的降解效率和运行性能分析。以传统空气阴极MFC为对照组，以碳负载量以及是否负载光催化材料为变量，构造空气型光催化阴极MFC实验组，对TCP的降解以及运行稳定性进行评估。采用10mg/L、30mg/L、50mg/L的TCP浓度梯度进行驯化，并测定每个浓度下TCP降解效率；同时对光催化空气阴极进行12h间歇光照驯化，对MFC光响应电压输出进行检测。研究表明，负载光催化材料和光照驯化过程提高了空气型光催化阴极的TCP降解效率及矿化程度，且相较对照组表现出更佳的长时间运行稳定性：当导电材料负载量为135mg活性炭和15mg碳黑时，负载光催化材料的MFC对50mg/LTCP在72h内降解率达到100%，相比未负载光催化材料的MFC实验组降解率提高了11.5%，施加光照将其降解速率由0.319h?1提升至0.913h?1；在经过130天相同条件培养后，空气型光催化阴极MFC电压峰值下降至初始值的17%，而对照组电压峰值下降至初始值的56%，一周期内腔室水分散失率分别为8.5%和73.0%。
(3)空气型光催化阴极MFC降解TCP的原理解析。通过循环伏安法(Cyclic voltammetry, CV)和电化学阻抗谱(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)分析及阴极氧气扩散速率计算，结合微生物群落结构分析，证明负载光催化材料可使阴极氧气扩散速率由0.67mgL?1降低至0.28mgL?1，阻碍了氧气向阳极的传递，进而减少了基质的好氧降解，并降低了基质降解过程的电子转移内阻，平衡了阴极微生物群落结构；在空气型光催化阴极MFC中，2,4,6?三氯苯酚的高效降解取决于两个关键因素：一方面是由于阴极表面光催化作用产生的空穴?光生电子及后续氧活性基团，另一方面是由于阴极的独特构造结合驯化培养方式形成了电化学活性菌占比高、可降解污染物的细菌协同作用的微生物群落结构。在该耦合体系中，通过中间产物液相质谱分析及DFT计算，证明该体系具有良好的降解矿化能力，且同时存在光催化与微生物降解路径。阴极表面光催化反应生成的光生电子可率先与阴极表面电子受体发生反应，而空穴则与从阳极经外电路转运来的电子结合，同时提高了光催化降解效率与MFC产电效率；此外光照和光催化材料负载作为外部环境因素影响了体系中微生物群落分布，使得阴极存在电化学活性菌且占比55.2%，并驯化形成了包括Thauera(陶厄氏菌属)、Paracoccus(副球菌属)、Arenimonas(铁矿沙单孢菌属)、Comamonas(丛毛单胞菌属)和Acidovorax(食酸菌属)在内的多种可降解芳香化合物的微生物结构，形成了稳定高效的光电协同作用。