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Cadmium sulfide cage photocatalysis coupled electroactive biofilm for synergistic promotion of tetracycline degradation and electricity production

光催化 微生物燃料电池 材料科学 地杆菌 降级(电信) 化学工程 生物膜 催化作用 化学 有机化学 阳极 电极 工程类 细菌 物理化学 生物 电信 遗传学 计算机科学
作者
Zhen Yuan,Jie Zou,Xu Zhao,Junyou Shi,Changsheng Guo,Mei Yan
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier BV]
卷期号:166: 86-97 被引量:22
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2023.05.018
摘要

Tetracycline (TC) as a common broad-spectrum antibiotic, has been frequently detected in soil and surface water. It becomes a great threat to the ecological environment. Here, a device of photocatalysis assisted microbial fuel cell (photo-MFC) was constructed for TC degradation and energy recovery. In this photo-MFC, cadmium sulfide(CdS) cage photocatalysis can degrade most of TC in a short time. While the Co3O4@C–CC (carbonization and calcination of the ZIF-67 precursor in-situ grown on the carbon cloth (CC)) bioanode degrades the rest of TC as well as the photocatalytic products, thus improving the mineralization. The co-existence of photocatalysis with bioanode changes the microbial community structure of the biofilms. The dominant phylum is Geobacter (60.2%) in normal MFC while that in photo-MFC are Proteobacteria (43.5%) and Geobacter (33.2%). Therefore, the synergistic effect of photocatalytic degradation and biodegradation achieves a chemical oxygen demand (COD) removal of 98.6%, which is higher than that of normal MFC (77.6%) or single CdS cage photocatalysis (23.8%). In addition, the photogenerated electrons can be transferred to the cathode, which reduces their combination with holes and increases the electricity generation of MFC, achieving a maximum power density of 3.37 W/m2. After degradation, the effluent with 200 mg L−1 TC exhibits no visible biotoxity. Furthermore, electrochemical test, finite-difference time-domain (FDTD), density functional theory (DFT) calculation and the free radical trapping experiments verify the possible mechanisms of photocatalytic degradation in this photo-MFC. This strategy paves a new way for low energy consumption removal and energy recovery of organic pollutants.
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