CN101700485B

CN101700485B - 一种光电催化装置

Info

Publication number: CN101700485B
Application number: CN2009102368623A
Authority: CN
Inventors: 尚静; 章宇超
Original assignee: Peking University
Current assignee: BEIJING LINGKESHENGSHI ENVIRONMENT PROTECTION TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2029-11-04
Also published as: CN101700485A

Abstract

本发明涉及一种光电催化装置，它包括一电源、一TiO₂光阳极、一对电极、一盛液罐、电解质溶液、一磁力搅拌子、一磁力搅拌器、一光源和四个二极管，其特征在于：所述电源为一交流电源，所述交流电源一输出端分别与二极管(M)的正极和二极管(N)的负极相连，所述交流电源的另一输出端分别与二极管(G)的正极和二极管(H)的负极相连；所述二极管(M)和二极管(G)的负极均与所述TiO₂光阳极相连，所述二极管(N)和二极管(H)的正极均与所述对电极相连。本发明节能，易于推广应用，能够100％利用交流电，而且光电催化效率高，利于液相有机污染物的快速降解，不仅可以应用在二电极系统中，还可以应用到三电极和多电极系统中。

Description

一种光电催化装置

技术领域

本发明涉及一种半导体光催化技术领域，特别是关于一种光电催化装置。

背景技术

目前，利用现有的薄膜光催化剂的制备技术所得到的光催化剂样品的活性都比较低，这是由于光催化剂(主要是TiO₂)中光生电子和空穴对的复合几率很高，导致光生载流子利用效率偏低，因此制约了半导体光催化技术在实际工业中的应用。虽然对TiO₂进行修饰改性(比如：利用各种金属和非金属元素掺杂、贵金属沉积、将多种氧化物体相复合、结合有机染料敏化及在各种大比表面积载体上的负载化等)可以在一定程度上提高电子-空穴的利用效率，提高光催化活性，但总体上没有实质性的进步。

近年来液相光电催化降解有机污染物的技术得到了快速发展，即通过外加电场促使光生电子与空穴分离，提高半导体的光电流响应和光生激子利用效率，而且该技术还具有光电协同作用，对研究太阳能光催化有利。目前所使用的光电催化技术主要采用的是光电化学池，根据电化学体系的电极数目分为两电极系统或三电极系统甚至多电极系统。以典型的三电极体系为例，其是利用负载在导电基底上的光催化剂膜作为光阳极，Pt电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极。例如，中国专利02139272.2公开了“一种在金属表面负载二氧化钛光催化剂的方法”，该专利是将金属表面清洁后，在酸性介质中将金属表面进行阳极氧化、水解处理，然后在弱碱条件下，以钛酸四丁酯和二氧化钛为原料，用溶胶——凝胶——粉末悬浮法浸提、涂覆成膜，然后在适当温度下进行灼烧处理后得到附着有氧化钛膜的金属表面，该金属表面可以用作光电催化反应中的阳极材料和光催化反应装置材料。但是，目前已知的光电催化技术均采用直流电源来促进电子空穴对的分离，而不能直接、有效地利用交流电，这在很大程度上限制了光电催化技术的推广应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种节能，易于推广应用，能够100％利用交流电，而且光电催化效率高的光电催化装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种光电催化装置，它包括一电源、一TiO₂光阳极、一对电极、一盛液罐、电解质溶液、一磁力搅拌子、一磁力搅拌器和一光源，其特征在于：所述电源为一交流电源，所述交流电源一输出端分别与二极管(M)的正极和二极管(N)的负极相连，所述交流电源的另一输出端分别与二极管(G)的正极和二极管(H)的负极相连；所述二极管(M)和二极管(G)的负极均与所述TiO₂光阳极相连，所述二极管(N)和二极管(H)的正极均与所述对电极相连。

所述交流电源为调压器和变压器之一，并与单相墙壁电相连。

所述光阳极由导电衬底和半导体光催化剂薄膜组成，所述导电衬底为导电氧化铟锡、铂片、钛片中的任一种，所述半导体光催化剂薄膜为TiO₂、TiO₂多孔材料、TiO₂/SnO₂、TiO₂/Fe³⁺、TiO₂/染料中的任一种，所述TiO₂/染料中的染料是酞菁铜、罗丹明B或玫瑰红中的任一种。

所述对电极是氧化铟锡、钛片、铂片中的任一种。

所述电解质溶液为氯化钠、氯化钾、硫酸钠中的任一种，所述氯化钠和氯化钾的使用浓度均为0.1～2mol/L，所述硫酸钠的使用浓度为0.1～1mol/L。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明将传统的直流电源替换成为一交流电源，同时增设了四个廉价的二极管，并将交流电源一输出端分别与二极管(M)的正极和二极管(N)的负极相连，将交流电源的另一输出端分别与二极管(G)的正极和二极管(H)的负极相连，还将二极管(M)和二极管(G)的负极均与TiO₂光阳极相连，二极管(N)和二极管(H)的正极均与对电极相连，因此当交流电源两侧输出正向或反向偏压时，二极管(M)、(H)导通或者二极管(G)、(N)导通，这样可以使电流从TiO₂阳极通过电解质溶液流向对电极，从而促进了半导体催化剂产生的光生电子和空穴的分离效率，进而提高光催化效率。2、由于本发明装置直接利用交流电，而不需要额外的装置将交流电转换为直流电，因此节约了资金，稳定性好，易于推广使用。3、由于本发明装置中的TiO₂光阳极首先是将光催化剂制成悬浊液或溶胶，然后采用现有的光电化学手段，比如浸渍-提拉方法或旋转涂膜方法将步骤1)中制得的光催化剂负载到一导电基底上，因此制备方法简单。4、由于本发明将交流电和太阳能光化学结合起来，因此对光解水有一定的借鉴意义。本发明光电催化效率高，利于液相有机污染物的快速降解，不仅可以应用在二电极系统中，还可以应用到三电极和多电极系统中。

附图说明

图1为现有的二电极光电催化装置的结构示意图

图2为本发明装置的结构示意图

图3为采用本发明装置和现有光电催化装置时罗丹明B的降解转化率随时间的变化曲线

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明欲在传统的光电催化电路中引入四个二极管，利用二极管单向导电性的特点使得光阳极在交流电下始终处于正向偏压的状态，将半导体催化剂产生的光生电子和空穴有效地分离开，从而提高光催化效率。

如图1所示，传统的直流二电极光电催化装置包括电源1、一TiO₂光阳极2、一对电极3、一盛液罐4、电解质溶液5、一磁力搅拌子6、一磁力搅拌器7和一光源8。电源1采用的是一直流电源，盛液罐4设置在磁力搅拌器7上，电解质溶液5和磁力搅拌子6均设置在盛液罐4内，光源8设置在盛液罐4周围，光阳极2和对电极3均设置在电解质溶液5中。

如图2所示，本发明装置在传统的光电催化电路中增设有四个二极管9(M)、10(N)、11(G)、12(H)，同时电源1采用一交流电源来代替传统直流光电催化装置中的直流电源。本发明装置的电路连接为：电源1的一输出端A分别与二极管9(M)的正极和二极管10(N)的负极相连，电源1的另一输出端B分别与二极管11(G)的正极和二极管12(H)的负极相连。二极管9(M)、11(G)的负极均与光阳极2相连，二极管10(N)、12(H)的正极均与对电极3相连，这样当电源1两侧输出正向或反向偏压时，二极管9(M)、12(H)导通或者二极管10(N)、11(G)导通，这样可以使电流从TiO₂阳极2通过电解质溶液5流向对电极3，从而促进了半导体催化剂产生的光生电子和空穴的分离效率，进而提高光催化效率。本实施例中，电源1可以为调压器或变压器，与单相墙壁电直接相连，电源1的电压范围在0～220V之间，频率在1～100000赫兹之间。二极管9(M)、10(N)、11(G)、12(H)可以根据所施加的交流电压选择型号，只要确保其不被施加的电压击穿即可。光阳极2由导电衬底和半导体光催化剂薄膜组成，其中，导电衬底可以为导电氧化铟锡、铂片、钛片中的任一种；半导体光催化剂薄膜选自TiO₂、TiO₂多孔材料、TiO₂/SnO₂、TiO₂/Fe³⁺、TiO₂/染料中的任一种，而TiO₂/染料中的染料可以是酞菁铜、罗丹明B或玫瑰红中的任一种。对电极3可以为氧化铟锡、钛片、铂片等。电解质溶液5可以为氯化钠、氯化钾、硫酸钠中的任一种，氯化钠和氯化钾的使用浓度均为0.1～2mol/L，硫酸钠的使用浓度为0.1～1mol/L。磁力搅拌子6和磁力搅拌器7均可以从市场购置，二者配合用于对反应溶液进行搅拌，保证反应体系溶液浓度均匀。光源8可以为紫外光源或可见光源。

本发明装置中的光阳极2的制备方法包括如下步骤：

1)将光催化剂制成悬浊液或溶胶。

2)将步骤1)制得的含有光催化剂的悬浊液或溶胶置于一导电基底表面。

3)对步骤2)得到的导电基底进行干燥处理，干燥的温度范围为60～90℃，干燥时间为10～30分钟，此时，导电基底上负载有一层光催化剂。

4)将步骤1)制得的含有光催化剂的悬浊液或溶胶再次置于步骤3)得到的导电基底表面，如此重复多次，比如：2～5次。

5)将步骤4)得到的导电基底在空气气氛条件下低温煅烧，煅烧温度为300～500℃，煅烧时间为0.5～1小时，自然冷却到室温，即可获得具有一定厚度的光催化剂薄膜的导电基底，即光阳极。

下面以光催化剂TiO₂为例，对上述步骤进行详细说明。

上述步骤1)中，光催化剂制成的悬浊液可以利用超声装置将现有商品或自制的TiO₂粉体分散在水溶液中即可获得。光催化剂制成的溶胶一般采用现有的溶胶-凝胶法制备得到，以下介绍含有TiO₂的溶胶的制备过程：

取8ml钛酸正丁酯，对其进行搅拌，在搅拌过程中缓缓滴入80ml无水乙醇，再加入1ml二乙醇胺(溶胶稳定剂)配成溶液，然后超声振荡，使溶液混合均匀并形成黄色透明溶液。然后加入98％浓度的含水酒精40ml，再密闭保存一段时间进行成胶化，制得均匀透明的含有TiO₂的溶胶。

上述步骤2)和步骤4)中，本发明方法可以采用浸渍-提拉方法和旋转涂膜方法将含有TiO₂的悬浊液或溶胶置于导电基底表面。

浸渍-提拉方法为：将导电基底浸于含有TiO₂的溶胶或悬浊液中2～5分钟，以1～5厘米/分钟的速度进行提拉。

旋转涂膜方法为：首先，取1～3滴含有TiO₂的溶胶或悬浊液，滴到导电基底上；然后，利用匀胶机以2000～5000转/分钟的匀胶速度通过离心作用将导电基底上的多余溶胶或悬浊液甩掉。

上述制备含有TiO₂的溶胶或悬浊液并将其负载在导电基底上的方法同样适用于其它半导体光催化剂，如TiO₂多孔材料、TiO₂/SnO₂、TiO₂/Fe³⁺、TiO₂/染料等。

如图3所示，以ITO/TiO2为光阳极，采用紫外可见分光光度计，比较本发明装置(如图2所示)和现有光电催化(如图1所示)降解罗丹明B的活性。

图3中各曲线表示罗丹明B的降解转化率随时间的变化曲线，横坐标表示时间，纵坐标表示罗丹明B的降解效率。a曲线代表利用本发明装置(图2)且交流电为0.5V，b曲线代表利用现有光电催化装置(图1)且交流电为0.5V，c曲线代表利用现有光电催化装置(图1)且直流电为0.5V。比较各曲线，在交流电下利用本发明装置可以非常显著的提高罗丹明B的光降解效率，而利用传统的光电催化装置，不论是交流电还是直流电，罗丹明B的光降解效率都很低。这主要是因为：1、本发明装置中的四个二极管能够使光阳极始终处于正向偏压的状态，有利于电子空穴的分离，而现有光电催化装置直接使用交流电时光阳极一会在正向偏压，一会在反向偏压，不利于电子空穴的分离；2、交流电的电压值随时间不断变化(0～0.5V)，有利于本发明装置中的光阳极释放空间累积电荷，提高激子利用效率和有利于电子的传导，而在直流电下，由于电压保持不变(0.5V)，现有光电催化装置中的光阳极不具备这样的优势。

Claims

1.一种光电催化装置，它包括一电源、一TiO₂光阳极、一对电极、一盛液罐、电解质溶液、一磁力搅拌子、一磁力搅拌器和一光源，其特征在于：所述电源为一交流电源，所述交流电源一输出端分别与二极管(M)的正极和二极管(N)的负极相连，所述交流电源的另一输出端分别与二极管(G)的正极和二极管(H)的负极相连；所述二极管(M)和二极管(G)的负极均与所述TiO₂光阳极相连，所述二极管(N)和二极管(H)的正极均与所述对电极相连。

2.如权利要求1所述的一种光电催化装置，其特征在于：所述交流电源为调压器和变压器之一，并与单相墙壁电相连。

3.如权利要求1所述的一种光电催化装置，其特征在于：所述光阳极由导电衬底和半导体光催化剂薄膜组成，所述导电衬底为导电氧化铟锡、铂片、钛片中的任一种，所述半导体光催化剂薄膜为TiO₂、TiO₂/SnO₂、TiO₂/Fe³⁺、TiO₂/染料中的任一种，所述TiO₂/染料中的染料是酞菁铜、罗丹明B或玫瑰红中的任一种。

4.如权利要求2所述的一种光电催化装置，其特征在于：所述光阳极由导电衬底和半导体光催化剂薄膜组成，所述导电衬底为导电氧化铟锡、铂片、钛片中的任一种，所述半导体光催化剂薄膜为TiO₂、TiO₂/SnO₂、TiO₂/Fe³⁺、TiO₂/染料中的任一种，所述TiO₂/染料中的染料是酞菁铜、罗丹明B或玫瑰红中的任一种。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种光电催化装置，其特征在于：所述对电极是氧化铟锡、钛片、铂片中的任一种。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种光电催化装置，其特征在于：所述电解质溶液为氯化钠、氯化钾、硫酸钠中的任一种，所述氯化钠和氯化钾的使用浓度均为0.1～2mol/L，所述硫酸钠的使用浓度为0.1～1mol/L。

7.如权利要求5所述的一种光电催化装置，其特征在于：所述电解质溶液为氯化钠、氯化钾、硫酸钠中的任一种，所述氯化钠和氯化钾的使用浓度均为0.1～2mol/L，所述硫酸钠的使用浓度为0.1～1mol/L。