[發明專利]自維持光催化轉化污染物和CO2協同反應池及其制備方法

有效

• 申請號: 201410792095.5
• 申請日: 2014-12-19
• 公開（公告）號: CN104609516B
• 公開（公告）日: 2016-11-16
• 發明（設計）人: 王貴欣;閆康平;鐘宜霏;薛娛靜
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C02F1/467
• 分類號: C02F1/467;C02F1/42
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明公開一種新型自維持光催化轉化污染物和CO₂協同反應池及其制備方法，單獨利用清潔太陽能處置廢物協同發電和產生高附加值化工產品，無需外加能源，屬于環保與新能源及相關領域。

背景技術

溫室氣體CO₂和污水中存在的有機污染物嚴重威脅著人類的生存繁衍和社會經濟的可持續發展，甚至引發極端的氣候現象，引起世界各國的高度重視。很多工業過程（如：印染、照相、農藥、炸藥、消毒劑、潤滑劑、石油化工、橡膠、塑料等）都會產生大量的含酚類廢液，而且酚類和染料等有毒化合物會在生物鏈和環境中傳遞，不僅難以生物降解，而且滯留時間長，較難處理。CO₂減排的有效措施是CO₂捕獲利用，但是空氣中低濃度的CO₂很難捕獲并富集利用；同時，對水環境破壞最嚴重的難降解有機污染物在濃度低時也很難富集處理。太陽能是一種清潔可再生能源，自然界中很容易免費獲得，在CO₂催化轉化[Physical?Chemistry?Chemical?Physics,?2014,?16(37):?19790-19827]和有機物催化降解[Journal?of?Photochemistry?and?Photobiology?C?-?Photochemistry?Reviews,?2008,?9(1):?1-12]等方面引起了人們的廣泛興趣。

然而，目前利用太陽能降解污染物與轉化CO₂多發生在不同的體系中，忽視了有機污染物的還原性和CO₂的氧化性耦合關聯，割裂了二者反應的互補性與連續性，增加了低濃度污水與CO₂處置的成本。目前報道的同槽光電化學池由于沒有考慮陽極室和陰極室間的化學偏壓而導致額外另外施加偏壓促使電極反應發生，整個體系不能單獨依靠太陽能長時間自維持工作，增加了能耗和運行成本。另外，TiO₂等粉體光催化劑不僅空穴和電子的分離效率低，附著力差，會引起二次污染，而且TiO₂薄膜的有效可利用比表面積比同樣條件下的陣列管的低，導致光電轉換效率低[Journal?of?Physical?Chemistry?C,?2011.?115(26):?12844-12849]。因此，開發高效單獨利用太陽能同時降解有機污染物和轉化CO₂的耦合技術不僅有利于應用取之不盡的清潔太陽能大量處置工業廢液和CO₂，而且可以實現以廢治廢，減少光反應池的體積和能耗，解決空氣中CO₂捕獲難及其利用和污水處理成本高的問題，達到節能減排的目的。

耦合電化學和光化學氧化法的光電催化技術是一種有效的處置污染物和CO₂的方法。然而，目前的光催化轉化CO₂與光催化降解有機污染物的耦合技術報道很不完善，仍需外加偏壓促進反應發生，消耗外加能量，沒有結合二者反應過程與特點的僅靠太陽能工作的自維持連續工作技術，運行成本高。

為了單獨利用太陽能協同氧化降解污染物與轉化CO₂，我們設計了一種雙室協同反應光電化學池（如附圖1所示），陽極室與陰極室由離子交換膜隔開，利用光催化氧化降解污染物產生的電子促使CO₂轉化，利用兩室溶液組成、濃度和pH值引起的的化學電位差實現協同反應池的連續自維持運行。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述問題，克服現有技術的不足，提供一種利用太陽能氧化污染物和轉化CO₂發電并產生高附加值化工產品的協同反應池及其制備方法。該反應池由陰極室、陽極室和隔膜組成，其中，光電催化材料與還原性污染物放在陽極室，CO₂通入陰極室。該協同反應池僅利用自然界的太陽能為外加能源，通過控制陰極室與陽極室的溶液調控兩室的化學偏壓，彌補太陽能造成的電壓不足的缺陷，無需其他外加能源，具有氣體容易擴散、溶液離子傳質效果和輸運特性好、電極的可利用比表面積和孔隙率高、循環穩定性好等優點，適應于長期穩定運行的光催化降解污染物協同轉化CO₂的環保與新能源及其相關領域。