雙極可見光響應(yīng)型光催化廢水燃料電池的研究.pdf

1、廢水資源化是現(xiàn)階段水污染治理研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。開發(fā)有效的污染物降解工藝并同時(shí)回收其中蘊(yùn)含豐富的化學(xué)能是實(shí)現(xiàn)廢水資源化的有效途徑。微生物燃料電池是目前報(bào)道較多的廢水資源化技術(shù)，但仍然受限于低效率，工藝復(fù)雜等缺陷。本文基于費(fèi)米能級(jí)匹配的原理，提出了使用光陽(yáng)極與光陰極構(gòu)建雙極可見光響應(yīng)型光催化廢水燃料電池的新思路。論文首先提出了一種制備可見光響應(yīng)的鎢基三氧化鎢（WO3/W）光陽(yáng)極的新方法，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)選與WO3/W光陽(yáng)極能級(jí)匹配的可見光

2、響應(yīng)型光陰極—Cu2O/Cu光陰極、Pt修飾Si太陽(yáng)能電池片(Pt/PVC)光陰極，成功地構(gòu)建了雙極可見光響應(yīng)型光催化電池體系，在實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物降解的同時(shí)，回收有機(jī)污染物的化學(xué)能，同時(shí)還可用于光催化自發(fā)分解水產(chǎn)氫。
　　金屬鎢基三氧化鎢（WO3/W）納米陣列有序結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極材料的制備。以金屬鎢片為基底材料，將金屬鎢片經(jīng)氧化預(yù)處理后在表面生成WO3薄層，作為水熱反應(yīng)的品種，通過(guò)水熱反應(yīng)制備金屬鎢基WO3納米陣列結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極材料。水熱反應(yīng)

3、體系中，以PEG(PEG)作為導(dǎo)向劑，以酸化的Na2WO4溶液為水熱反應(yīng)液.，通過(guò)水熱反應(yīng)時(shí)間的控制可以分別得到具有納米條陣列、納米片陣列和納米塊結(jié)構(gòu)的WO3/W光陽(yáng)極。在水熱反應(yīng)過(guò)程中，PEG導(dǎo)向的機(jī)制是通過(guò)長(zhǎng)鏈PEG大分子在WO3晶體的溶膠表面吸附，控制晶體生長(zhǎng)的各向同性，使得晶體生長(zhǎng)整齊有序。由于晶種是通過(guò)金屬鎢氧化形成的，因此晶種與金屬鎢基底以及有序生長(zhǎng)的晶體之間保持了自然均質(zhì)化的結(jié)合，并能表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和光電性能。由此制備

4、的WO3/W光陽(yáng)極材料禁帶寬度為2.6eV，能夠吸收波長(zhǎng)為480nm的可見光，中性溶液中光電流密度可達(dá)2.35mA/cm2，表現(xiàn)出良好的分解水制氫與降解有機(jī)污染物的性能。
　　雙極可見光響應(yīng)型光催化廢水燃料電池—WO3/W-Cu2O/Cu電池的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。基于n型半導(dǎo)體WO3的費(fèi)米能級(jí)高于p型半導(dǎo)體Cu2O的特點(diǎn)，以可見光響應(yīng)型WO3/W為光陽(yáng)極，以可見光響應(yīng)型Cu2O為光陰極，構(gòu)建了雙極均可進(jìn)行可見光響應(yīng)的光催化廢水燃料電池，該

5、電池在可見光光照的條件下，WO3/W光陽(yáng)極的電勢(shì)高于Cu2O/Cu光陰極的電勢(shì)，從而形成電勢(shì)差自發(fā)地驅(qū)動(dòng)WO3/W光陽(yáng)極的光生電子轉(zhuǎn)移至Cu2O/Cu光陰極，在外電路形成電流的同時(shí)分離出WO3/W光陽(yáng)極強(qiáng)氧化性的空穴，同時(shí)實(shí)現(xiàn)降解有機(jī)物和對(duì)外發(fā)電。該體系的短路電流可達(dá)205μA/cm2，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有機(jī)污染物尤其是難降解有機(jī)污染物包括苯酚、羅丹明B和剛果紅的處理。
　　雙極可見光響應(yīng)型光催化電化學(xué)池—WO3/W-Pt/PVC電化學(xué)池

6、自發(fā)分解水產(chǎn)氫性能研究。為了克服光陰極Cu2O/Cu穩(wěn)定性差的問(wèn)題，基于商品化Si電池片良好的穩(wěn)定性和較高的光電活性，經(jīng)過(guò)處理與修飾，設(shè)計(jì)了性能更為優(yōu)異的且穩(wěn)定的Pt/PVC光陰極，能夠滿足長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的要求。利用Pt/PVC光陰極與WO3/W光陽(yáng)極費(fèi)米能級(jí)匹配的特點(diǎn)，構(gòu)建了可以進(jìn)行光催化自發(fā)分解水產(chǎn)氫的電化學(xué)池，產(chǎn)氫速率可達(dá)0.204μmol/hcm2。
　　雙極可見光響應(yīng)型光催化廢水燃料電池—曝氣WO3/W-Pt/PVC電池

7、降解有機(jī)物與發(fā)電研究。將雙極可見光響應(yīng)型光催化電化學(xué)池—WO3/W-Pt/PVC電化學(xué)池應(yīng)用于廢水處理和發(fā)電，并由此構(gòu)建了雙極可見光響應(yīng)型曝氣WO3/W-Pt/PVC光催化廢水燃料電池。研究表明，通過(guò)曝氣，能夠改變Pt/PVC光陰極光生電子的消耗方式，使得Pt/PVC光陰極的電極反應(yīng)由還原H+析出H2轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原O2生成H2O，由此在Pt/PVC光陰極表面分離出更多的光生空穴用于吸引WO3/W光陽(yáng)極的光生電子。這一效果有助于WO3/W光陽(yáng)