[發明專利]一種基于可見光驅動的光電降解有機污染物制氫的方法和裝置

有效

• 申請號: 201210344015.0
• 申請日: 2012-09-17
• 公開（公告）號: CN102826506A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: 叢燕青;金曉林;孫愛蕓;丁衛徐;劉亞莉;吳俊彥;王齊
• 申請（專利權）人: 浙江工商大學
• 主分類號: C01B3/22
• 分類號: C01B3/22
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及新能源技術和水處理技術領域，具體涉及一種基于可見光驅動的雙n-型半導體光電降解有機污染物制氫的方法和裝置。

背景技術

能源短缺、環境污染是人類面臨的兩大難題，尋找可持續供應的清潔替代能源已經是全球刻不容緩的一件大事。氫氣作為一種二次能源，能量密度高、燃燒潔凈，被公認為是礦物燃料的最理想替代能源。目前生產氫氣的方法主要有兩種：一種是以化石能源為原料與水蒸氣反應制得水煤氣，然后經變換、凈化等工序制得；另一種應用較廣且較成熟的方法是電解水制氫。化石燃料制氫要消耗大量的礦物資源，而且在生產過程中產生的污染物對地球環境造成破壞，不具有可持續發展性。

電解水制氫不產生二氧化碳排放，是清潔的制氫技術，目前工業規模的水電解裝置電流效率可以達到56-73％，然而電解水制氫的成本隨著電價的提高而不斷提高。

太陽能光解水制氫是太陽能光化學轉化與儲存的最佳途徑之一，其利用太陽光的能量，在催化劑作用下分解水產生氫氣，將太陽能轉化為氫能，氫作為能源使用后又回到水的形態，達到完全的可持續開發和利用。但是由于直接光催化分解水產氫效率低，限制了其實際應用，要提高產氫效率，必須添加電子給體作為犧牲劑來抑制光生電子和空穴的復合以及氫和氧復合的逆反應，從而獲得產氫。電子給體的加入還可以促進催化劑的結構穩定而不易失活。

許多有機物都是很好的電子給體，能顯著提高光催化分解水產氫的效率，尤其是利用廢水中的有機污染物作為電子給體進行光催化分解水制氫，有機廢物被氧化降解的同時水被還原產生氫氣，既提高制氫效率，又去除了環境污染物。

申請號為200910138275.0的中國發明申請公開了一種光驅動降解廢水產氫的雜化電池及其應用主要包括：光陽極為吸附有染料分子和作為催化劑的金屬納米顆粒的半導體材料；陰極材料是對氫氣有催化產氫效果的材料，工業廢液為燃料，采用鹽類物質為電解質，半導體材料為具有光催化性質的材料；染料分子是能與半導體材料的能級匹配且對太陽光具有吸收效率，并且在廢液中能夠穩定存在的材料。該發明將染料敏化太陽能電池和燃料電池的概念整合在同一電池器件中，雖然能夠利用染料吸收太陽能轉化為電能，同時降解工業生產廢液中的有機物產生氫能，但是這種雜化電池在同一個反應池內既要降解工業生產廢液中的有機物，又要產電，還要產氫，光催化陽極的電子-空穴對不但沒有外加驅動力促使其分離，空穴反應后剩余的電子在向產氫陰極遷移過程中還會受到外加電阻R的阻礙，致使效率不會很高。

發明內容

本發明提供了一種基于可見光驅動的光電降解有機污染物制氫的方法和裝置，將反應器內分隔為相互獨立的光催化原電池和光催化制氫池，光催化原電池將太陽能轉化成電能，提供一定偏壓驅動光催化制氫池內光催化陽極的電子-空穴對高效分離，空穴用于氧化降解有機污染物，電子用于產生氫氣，從而使污染物去除效率和產氫效率都大大提高。

一種基于可見光驅動的光電降解有機污染物制氫的裝置，包括反應器、集氫裝置和光源，所述反應器底部帶有磁力攪拌器；所述反應器內分隔為相互獨立的光催化原電池和光催化制氫池，所述光催化原電池內設有若干對第一光催化電極對，所述光催化制氫池內設有若干對第二光催化電極對，所述第一光催化電極對和第二光催化電極對相互串聯形成回路；所述光催化原電池和光催化制氫池內均設有磁子。

所述第一光催化電極對和第二光催化電極對相互串聯是指每一對第一光催化電極對的陽極與對應的一對第二光催化電極對的陰極通過導線相連，每一對第一光催化電極對的陰極與對應的第二光催化電極對的陽極通過導線相連；反應器由透光性好的石英、玻璃或者有機玻璃制成；所述光催化原電池內含有氧化還原電對混合液，優選為可逆氧化還原電對，例如I^-/IO₃^-、Fe²⁺/Fe³⁺、S^2-/S₂^-等，在可見光的照射下能夠將光能轉化成電能，產生足夠的電壓使光電催化制氫池中的半導體光催化劑(如BiVO₄、BiVWO₄、Fe₂O₃等)即陽極的電子-空穴對分離，分離的空穴可以高效降解污染物，分離后的電子在光催化原電池電壓驅動下移動到陰極產生氫氣。光電催化制氫池內裝有有機污染物廢水，兩個反應池通過完善的自耦合匹配，實現高效降解有機物并產生氫氣。