「一箭雙鵰」膜電極，水源能源一把抓

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相對於傳統的分離過程，膜分離是一種能耗較低的分離技術。然而，膜過程始終需要驅動力（如壓力差、電勢差、溫度差等等），因此需要一定的能耗。以能源換水源，是膜過程的基本原理。不過，在許多膜分離過程中，需要被分離的有機污染物可在氧化過程中產生能量，電化學膜生物反應器（EMBR）就可以實現這樣的過程。將EMBR與超濾或微濾過程相結合，就可以同步實現水的凈化與能量的收集。傳統的EMBR是將Ni或Cu膜作為陰極，除了成本較高，無機材料的靈活性與孔結構的可調性都較低。聚合物膜儘管在成本、結構、易集成化等方面都極具優勢，但大部分聚合物膜均為絕緣體，部分導電聚合物如聚苯胺和聚吡咯則較難在溶液中加工成膜（注意，這裡是指membrane而不是film），因此用聚合物膜來實現上述過程依舊是一個挑戰。

中空纖維膜電極工作示意圖。圖片來源：Wiley

最近，來自阿卜杜拉國王大學的Krishna P. Katuri等人就報道了一種聚合物中空纖維膜電極，用於同時過濾廢水並收集能源，相關論文發表於近期的Advanced Materials上。（A Microfiltration Polymer-Based Hollow-Fiber Cathode as a Promising Advanced Material for Simultaneous Recovery of Energy and Water.Adv. Mater.,2016, DOI: 10.1002/adma.201603074）。

為了實現上述目的，研究者們首先需要解決的問題是膜作為陰極材料的導電性。他們利用原子層沉積法（ALD）在氟化的聚惡二唑中空纖維膜表面構建了均勻可控的Pt金屬塗層，並通過優化膜電極性能他們找到了最優的ALD條件。這樣製備的複合膜具有兩個功能：一方面微濾膜本身可以作為過濾基材，另一方面膜表面的Pt塗層則可作為制氫過程的陰極。然後，他們構建了如第一幅圖所示的反應裝置，其中包括用於附著電活性細菌的碳纖維刷陽極（2）和Ag/AgCl參比電極（3）。實驗中，他們選擇了醋酸溶液和污水作為處理對象，裡面的有機物作為電子供體。

圖片來源：Wiley

在實際運行過程中，對於膜電極反應器兩個最重要的評價指標分別是：制氫過程的效率和膜污染對膜性能的影響。在運行前期，電流逐漸增大，這是由於在陽極形成穩定的菌膜需要一定的時間。體系的庫倫效率在前317小時內均大於100%，350小時候則降低至96.7±0.3%左右，這可能是由於在氫營養型甲烷菌的作用下氫氣轉化為甲烷所致。真實廢水中有機成分的複雜性導致在相同的條件下，真實廢水的效率要低於醋酸溶液。值得一提的是，該膜的電化學產氫性能在物理/化學清洗下仍能保持穩定。

圖片來源：Wiley

另一個值得關注的問題就是膜污染。膜污染的形成會導致膜性能的迅速劣化，特別是在本文的操作條件下，細菌也可能在膜表面形成菌落從而堵塞膜孔。與對照組相比，文中所報道的膜電極過膜壓力上升速度較慢，在顯微鏡下也未觀察到明顯的污染層的形成（下圖），這可能主要是由於氫氣氣泡的形成干擾了細菌在膜表面形成菌膜。

AB為文中報道的膜電極，CD則為對照組。圖片來源：Wiley

中空纖維多孔膜電極的應用為能源與環境領域打開了一扇新的窗戶，在材料科學快速發展的今天，發展綠色環保、具有多能性材料與器件將成為未來主流的研究方向。

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603074/abstract

（本文由YHC供稿）

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