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與難點。開發(fā)有效的污染物降解工藝并同時回收其中蘊含豐富的化學(xué)能是實現(xiàn)廢水資源化的有效途徑。微生物燃料電池是目前報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。本文基于費米能級匹配的原理，提出了使用光陽極與光陰極構(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）光陽極的新方法，在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)選與WO3/W光陽極能級匹配的可見光

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，在實現(xiàn)有機污染物降解的同時，回收有機污染物的化學(xué)能，同時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，通過水熱反應(yīng)制備金屬鎢基WO3納米陣列結(jié)構(gòu)光陽極材料。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.，通過水熱反應(yīng)時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光陽極。在水熱反應(yīng)過程中，PEG導(dǎo)向的機制是通過長鏈PEG大分子在WO3晶體的溶膠表面吸附，控制晶體生長的各向同性，使得晶體生長整齊有序。由于晶種是通過金屬鎢氧化形成的，因此晶種與金屬鎢基底以及有序生長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光陽極材料禁帶寬度為2.6eV，能夠吸收波長為480nm的可見光，中性溶液中光電流密度可達2.35mA/cm2，表現(xiàn)出良好的分解水制氫與降解有機污染物的性能。
　　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)計與應(yīng)用?；趎型半導(dǎo)體WO3的費米能級高于p型半導(dǎo)體Cu2O的特點，以可見光響應(yīng)型WO3/W為光陽極，以可見光響應(yīng)型Cu2O為光陰極，構(gòu)建了雙極均可進行可見光響應(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光陽極的電勢高于Cu2O/Cu光陰極的電勢，從而形成電勢差自發(fā)地驅(qū)動WO3/W光陽極的光生電子轉(zhuǎn)移至Cu2O/Cu光陰極，在外電路形成電流的同時分離出WO3/W光陽極強氧化性的空穴，同時實現(xiàn)降解有機物和對外發(fā)電。該體系的短路電流可達205μA/cm2，能夠?qū)崿F(xiàn)對有機污染物尤其是難降解有機污染物包括苯酚、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)過處理與修飾，設(shè)計了性能更為優(yōu)異的且穩(wěn)定的Pt/PVC光陰極，能夠滿足長時間穩(wěn)定運行的要求。利用Pt/PVC光陰極與WO3/W光陽極費米能級匹配的特點，構(gòu)建了可以進行光催化自發(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光陽極的光生電子。這一效果有助于WO3/W光陽