阴极协同产H2O2与阳极氧化强化有机废水处理效率的创新研究

本文创新性地构建了气体扩散电极流动型微生物燃料电池（GDE-FMFC），通过开发高效In2O3/rGO-2催化剂实现阴极2电子氧还原反应（2e-ORR）100%法拉第效率产H2O2，同步获得1455.82 mW m-2功率密度。研究揭示了多通道催化机制，实现了阳极微生物降解与阴极H2O2消毒的协同污水处理新策略。

　　

本研究亮点在于开发了具有多通道催化机制的In₂O₃/rGO-2催化剂，其展现卓越的2电子氧还原反应（2e^-ORR）选择性。创新构建的气体扩散电极流动型微生物燃料电池（GDE-FMFC）系统，实现了14.84 mg L^-1 h^-1的H₂O₂产率与1455.82 mW m^-2功率输出的双重突破。

在250 mL去离子水中超声溶解0.95 mg硝酸铟（In(NO₃)₃·xH₂O）和7.5 mg尿素，经120℃水热反应12小时获得In₂O₃前驱体。将20 mg还原氧化石墨烯（rGO）与所得前驱体混合，通过冷冻干燥和高温煅烧最终制得In₂O₃/rGO复合材料。

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通过理论计算筛选主族金属氧化物催化剂时，意外发现具有d¹⁰电子构型的锌（Zn）氧化物表现出类主族特性。密度泛函理论（DFT）计算揭示In₂O₃催化剂通过独特的电子转移通道促进O₂选择性还原为H₂O₂，原位傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了关键中间体的形成。

我们设计的In₂O₃/rGO-2催化剂在2e^-ORR中展现出超高活性。基于该催化剂构建的GDE-FMFC系统不仅大幅提升H₂O₂产率，更实现了"阳极微生物降解-阴极H₂O₂消毒"的废水协同处理新模式。