[發(fā)明專利]可見光響應型光催化廢水燃料電池及其制備方法和應用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310294547.2
• 申請日: 2013-07-15
• 公開（公告）號: CN103367759A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發(fā)明（設計）人: 周保學;陳全鵬;白晶;殷偉平;張先智
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90;H01M8/06;C02F1/30
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 祖志翔

技術領域

本發(fā)明涉及一種雙極驅動的可見光響應型光催化廢水燃料電池及其制備方法和應用，屬于有機污染物處置及資源化利用領域。

背景技術

現代工業(yè)的飛速發(fā)展，使得大量的有毒、有害有機污染物排入水環(huán)境，造成了嚴重的污染，然而，污水中的有機成分還是重要的資源和能源。有機污染物的處理過程至少包括了兩個過程，即有機物的降解和有機物化學能的釋放。發(fā)展一種清潔、高效的有機廢水處理技術，并實現有機物化學能的綜合利用具有重要的意義。

以有機廢水為資源，利用化學原電池的原理，讓廢水有機物在電池中“燃燒”，把有機物的化學能轉化為電能，達到既凈化水中的有機污染物又綜合利用化學能的目的，這是一種具有可持續(xù)發(fā)展意義的水處理技術。

利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的微生物燃料電池目前已引起了廣泛的關注，微生物燃料電池是在缺氧條件下，利用微生物將有機物的電子傳遞到陽極上，然后轉移到陰極并最終實現發(fā)電（B.E.Logan,Nat.Rev.Microbiol.2009,7,375）。影響微生物燃料電池性能的關鍵因素是生物體系內的電子傳遞效率，然而微生物體系的電子傳遞過程十分復雜，電子傳遞速率也相對緩慢，這嚴重影響了電池的性能；此外，微生物燃料電池還存在著操作復雜、微生物培養(yǎng)、啟動時間長和運行條件苛刻等不足。

基于光催化原理構建的光催化燃料電池則代表了一種快速、高效的，能夠降解幾乎所有的有機污染物的新途徑。以金屬鈦基TiO₂納米管陣列為光陽極，以Pt/鉑黑電極為陰極組成的光催化廢水燃料電池以其優(yōu)異的性能已經引起了越來越多的關注（Biosens.Bioelectron.2007,23,140;Water?Res.2011,45,3991;Chem.Commun.2011,47,10314）。但現有的光催化燃料電池仍然存在明顯的缺陷，一方面以TiO₂半導體材料為光陽極的光催化廢水燃料電池只能利用紫外光，導致光催化燃料電池對太陽光的利用范圍較窄，雖然通過TiO₂半導體材料與窄禁帶寬度半導體如CdS、Cu₂O等的復合(《可見光響應的納米管陣列燃料電池》，中國專利申請?zhí)枺?01110203146.2)實現對可見光的響應，但CdS、Cu₂O等復合半導體極易發(fā)生氧化或還原而失活，導致光陽極電極穩(wěn)定性差，無法滿足長時間穩(wěn)定運行的要求；另一方面，作為陰極使用貴金屬Pt作陰極使得光催化燃料電池的成本劇增；此外，現有的光催化燃料電池的陰極僅限于起到電子回路的傳遞作用，沒有起到產生光生電荷的作用，盡管理論上Cu₂O電極可以作為光陰極，但是氧化亞銅光蝕嚴重，亞銅離子易被自身還原為銅或被氧化為二價銅離子，因此無法支撐電池系統(tǒng)長時間的穩(wěn)定運行。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于可見光響應的光陽極——WO₃/W納米孔陣列電極和可見光響應的光陰極——鉑修飾硅電池片電極，構建雙極驅動的可見光響應型催化廢水燃料電池及其制備方法和應用，實現可見光對于陰、陽雙電極的驅動，達到電池效率高、電極穩(wěn)定性好和使用壽命長的效果，用于污水有機物的處理與有機物化學能的發(fā)電利用。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現的：

一種可見光響應型光催化廢水燃料電池，包括光陽極、光陰極、有機廢水、可見光光源、電解質溶液、石英反應池和空氣通氣口，其特征在于：所述的光陽極為可見光響應的WO₃/W納米孔陣列光陽極，所述的光陰極為可見光響應的鉑修飾硅電池片光陰極，該光陽極和光陰極的材料均能夠直接響應可見光照射并產生光生電荷，所述的光陽極和光陰極分別插入所述石英反應池內含有所述有機廢水的0.05～0.4M的硫酸鈉電解質溶液中，并通過外部電路連通；開啟所述可見光光源照射所述光陽極和光陰極，并在位于該光陰極附近的空氣通氣口持續(xù)通入空氣，則所述光陽極產生的光生空穴降解所述有機廢水中的有機污染物，所述光陰極產生的光生電子與通入空氣中的氧氣相結合，所述光陽極產生的光生電子通過外部電路傳遞至所述光陰極并與該光陰極產生的光生空穴結合，由此形成回路，實現有機廢水中有機污染物的降解和電能的發(fā)電。

所述的可見光光源為模擬太陽光光源，光強為100mW?cm^-2。

本發(fā)明的另一技術方案為：

一種上述的可見光響應型光催化廢水燃料電池的制備方法，其包括：