CN102173484A - 一种染料敏化光电催化降解装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种染料敏化光电催化降解装置，由二氧化钛薄膜电极组件和阳电极构成，二氧化钛薄膜电极组件由玻璃基体、纳米二氧化钛薄膜、染料敏化膜、电解液和对电极组成，纳米二氧化钛薄膜设有两个功能区域，即位于上部染料敏化区域的染料敏化膜和位于下部降解区域的降解电极，染料敏化膜和对电极两端分别用封口胶粘合密封形成夹心层结构，中间充满电解液；对电极和阳电极用导线连接。该降解装置用来降解有机污染物。本发明的优点是：该降解装置结构新颖、易于实施，将二氧化钛的光催化响应范围拓展到可见光区，提高了太阳能利用效率；夹层结构使染料不被降解，使用寿命显著提高；恒压直流电源提高了氧化的染料获得电子而还原再生的效率，降解效率高。
Description
技术领域
本发明属于工业污水处理技术，特别涉及一种染料敏化光电催化降解装置及其应用。
背景技术
很多持久性有机污染物能够致癌、致畸、致突变，对人类生存繁衍和可持续发展构成严重威胁。近年来有机污染物的降解已经引起了人们的高度重视，如何提高对此类物质的降解成为国际上研究最为活跃的领域之一。太阳能是一种清洁可再生能源，开发太阳能降解有机污染物是保护人类赖以生存的生态环境的重要课题。
利用二氧化钛（TiO2）纳米晶体光解有机污染物一直受到研究者的青睐。主要原因是这种纳米材料具有较高的光催化反应活性并且价格低廉、无毒无害。纳米TiO2光催化剂在光照的条件下产生强氧化性的自由基（·OH），能彻底降解几乎所有的有机物，并最终生成H2O、CO2等小分子，此外，光催化反应还具有反应条件温和，反应设备简单，二次污染小，操作易于控制，催化剂材料易得，运行成本低等优点，因而，应用TiO2的光催化降解有机物的研究，受到人们的广泛关注，成为国内外最活跃的研究领域之一。但二氧化钛纳米晶的广泛工业应用仍受到两方面的制约。其一，在于二氧化钛对太阳能利用效率低，这是由于TiO2半导体的导带与价带的间隙较宽（Eg=3.2eV），决定了其只能吸收385nm以下波长的紫外光,而太阳光谱中只有5%为紫外光，因而对太阳光能量的利用率非常低，限制了其在光催化降解有机污染物中的使用。其二，二氧化钛纳米颗粒的分离比较困难，也限制了实际的应用。将二氧化钛制成薄膜是解决催化剂分离的有效方法之一，另外，通过染料敏化将二氧化钛的光催化响应范围拓展到可见光区，但在染料吸收光子产生电子，并生成高活性的氢氧自由基分解污染物的过程中，也会降解染料本身，最终导致敏化TiO2可见光催化体系失活。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供染料敏化光电催化降解装置及其应用，该降解装置结构新颖、易于实施、降解效率高且使用寿命长。
本发明的技术方案：
一种染料敏化光电催化降解装置，由二氧化钛薄膜电极组件和阳电极构成，二氧化钛薄膜电极组件由玻璃基体、纳米二氧化钛薄膜、染料敏化膜、电解液和对电极组成，附着于玻璃基体上的纳米二氧化钛薄膜设有两个功能区域，即位于可见光照射的上部染料敏化区域和位于待降解有机物的下部降解区域，位于上部染料敏化区域的纳米二氧化钛薄膜用染料敏化并形成染料敏化膜，位于下部降解区域的纳米二氧化钛薄膜为降解电极，染料敏化膜和对电极两端分别用封口胶粘合密封形成夹心层结构，夹心层结构中间充满电解液；对电极和阳电极用导线直接连接，或者通过恒压直流电源间接连接，即对电极连接恒压直流电源的负极，阳电极连接恒压直流电源的正极。
所述对电极为铂、钯、铑金属电极或碳基电极。
所述阳电极为铂、钯、铑金属电极或碳基电极。
一种如所述染料敏化光电催化降解装置的应用，用来降解有机污染物，方法是将降解电极和阳电极分别放入两个降解容器里，或者放入同一个降解容器里。
本发明的工作机理：
为了达到染料不被降解的目的，必须把染料与待降解的有机污染物分开，设置在不同的区域。我们设计将负载在某载体上的TiO2薄膜分成两区域，区域之一吸附染料，区域之二用来降解有机污染物。当太阳光照射吸附有染料的TiO2的薄膜，染料吸收光产生激子，将电子注入到TiO2的导带中，该电子通过TiO2的导带传输到降解区域，处于TiO2的导带的电子具有较高的能带，可以与氧气反应生成氧负离子（O2 ·-），氧负离子进一步生成高活性的氢氧自由子（·OH），将有机污染物分解成二氧化碳和水，达到降解有机污染物的目的。给出电子的染料成为带正电荷，如果不能获得一个电子再生，则不再吸收光产生电子，光解反应也将停止。为了使染料不断地吸收光子产生电子，让降解反应持续进行，我们采用与敏化区域面积相当的镀铂导电玻璃（对电极）覆盖其上，夹层用电解液充满后密封，类似于染料敏化TiO2太阳能电池的结构。对电极与恒压直流电源的负极相连，将电子输送到电解质，被氧化的染料通过电解质的氧化和还原反应获得电子而再生。阳电极与恒压直流电源的正极相连，该电极也具有强氧化性，直接氧化降解污染物，或氧化水生成氢氧自由子（·OH）。
本发明的优点是：该降解装置结构新颖、易于实施，将二氧化钛的光催化响应范围拓展到可见光区，大大提高了太阳能利用效率；夹层结构使染料不被降解，使用寿命显著提高；恒压直流电源提高了氧化的染料获得电子而还原再生的效率，降解效率高。
附图说明
附图为该降解装置结构示意图。
图中：1.玻璃基体 2. 纳米二氧化钛薄膜 3-Ⅰ、Ⅱ.封口胶
4. 对电极 5. 阳电极 6-Ⅰ、Ⅱ.降解容器 7-Ⅰ、Ⅱ.搅拌子
8.电解液 9. 染料敏化膜 10. 恒压直流电源。
具体实施方式
实施例：
一种染料敏化光电催化降解装置，由二氧化钛薄膜电极组件和阳电极5构成，二氧化钛薄膜电极组件由玻璃基体1、纳米二氧化钛薄膜2、染料敏化膜9、电解液8和对电极4组成，附着于玻璃基体1上的纳米二氧化钛薄膜2设有两个功能区域，即位于可见光照射的上部染料敏化区域和位于待降解有机物的下部降解区域，位于上部染料敏化区域的纳米二氧化钛薄膜2用染料敏化并形成染料敏化膜9，位于下部降解区域的纳米二氧化钛薄膜2为降解电极，染料敏化膜9和对电极4两端分别用封口胶3-Ⅰ、Ⅱ粘合密封形成夹心层结构，夹心层结构中间充满电解液8；对电极4和阳电极5用导线直接连接，或者通过恒压直流电源10间接连接，即对电极4连接恒压直流电源10的负极，阳电极5连接恒压直流电源10的正极。
该降解装置的制备步骤如下：
1） 采用丝网印刷技术，在玻璃基体上附着二氧化钛薄膜，具体作法是将普通玻璃割成16×36mm 的方块，然后用洗涤剂清洗干净，用去离子水冲洗，再放入0.1 mol/L 的盐酸乙醇溶液中超声20 min，取出玻璃用去离子水冲洗掉表面的吸附物，然后分用乙醇超声清洗，吹干后备用。以18 wt％Ti02 胶体、9 wt.％乙基纤维素和73 wt.％松油醇混和搅均，使用丝网印刷技术将其印制在准备好的玻璃基体上。二氧化钛薄膜的厚度通过丝网网目尺寸的选择和印刷的重复次数来控制9 μm厚。涂好的Ti02 薄膜自然晾干后，将其置于烘箱中在120℃ 烘30 min，然后在放入马弗炉中，并在流动氧气下，在500℃ 焙烧30分钟后自然降温冷却。此种简单的烧结可以去除二氧化钛胶体中的有机物，并使纳米粒子较好的缩合在一起，从而更有利于电子在纳米Ti02 薄膜中的传输。
采用吸附法将二氧化钛薄膜的染料敏化区域浸入到染料敏化剂溶液中，使染料敏化剂被吸附到二氧化钛薄膜上形成二氧化钛敏化膜，具体作法是将经过高温烧结的二氧化钛薄膜置于烘箱中，待温度至80℃时，将面积14 ×14 cm2的二氧化钛薄膜浸入到300 μM cis-Ru(dcbpy)2(NCS)2 (N719)染料敏化剂溶液中，然后将之置于暗处放置24 h后，染料敏化剂就被吸附到膜上，肉眼可以观察到Ti02 多孔膜的颜色变化。敏化完成后，将膜取出，并用乙醇溶剂将膜表面残留的染料冲洗干净，氮气吹干后放置于暗处干燥环境下待用。
2） 铂电极的制备，具体作法是将H2PtCl6溶于乙醇中，配制成浓度为40 mmol/L的溶液，然后滴加一滴于干净的导电玻璃表面，并将其固定于风扇上高速转动，使之均匀的覆盖在导电玻璃的表面，自然晾干后将其置于马弗炉中，在395℃ 烧制15分钟，H2PtCl6热分解生成Pt，等到降温后取出即可。
3）电解液的配制，配制方法如下：将0.6M 1,2-二甲基-3-正丙基咪唑碘盐(DMPImI), 0.1 M LiI, 0.05 M I2 , 和0.5 M的4-叔丁基吡啶(TBP)溶解至40毫升乙腈中即得。
4)降解装置的组装方法：在染料敏化膜表面，滴加一滴电解液，电解液会渗透到染料敏化膜中，然后将一块铂电极盖在Ti02染料敏化膜上，利用封口膜进行封装，构成二氧化钛薄膜电极组件，将没有敏化的二氧化钛薄膜部分作为降解电极即可。
该降解装置的应用方法：
取两个广口烧杯作为降解容器6-Ⅰ、Ⅱ，降解容器6-Ⅰ、Ⅱ内分别设有搅拌子7-Ⅰ、Ⅱ，降解容器6-Ⅰ、Ⅱ内分别盛有4-氯苯酚溶液，用铜导线将恒压直流电源10的负极与对电极4相连，恒压直流电源的正极与阳电极5相连。
该降解装置的降解实验检测：
在广口烧杯6-I和6-II中分别加入14毫升的4-氯苯酚水溶液，4-氯苯酚的初始浓度为20mg/L，在磁力搅拌下不断通人空气。以300W的氙灯为光源，通过420nm的滤光片，产生大于420nm波长的可见光为光束，恒压直流电源的电压为0.6V，每30分钟取一次样，通过液相色谱Agilent 1100， XDB-C18柱检测残余4-氯苯酚的浓度。检测结果证实，在广口烧杯6-I和6-II中，经过3小时，对4-氯苯酚的降解率分别达到97％和98%，总有机碳（TOC）的减少分别为44%和57％。
Claims (4)
1.一种染料敏化光电催化降解装置，其特征在于：由二氧化钛薄膜电极组件和阳电极构成，二氧化钛薄膜电极组件由玻璃基体、纳米二氧化钛薄膜、染料敏化膜、电解液和对电极组成，附着于玻璃基体上的纳米二氧化钛薄膜设有两个功能区域，即位于可见光照射的上部染料敏化区域和位于待降解有机物的下部降解区域，位于上部染料敏化区域的纳米二氧化钛薄膜用染料敏化并形成染料敏化膜，位于下部降解区域的纳米二氧化钛薄膜为降解电极，染料敏化膜和对电极两端分别用封口胶粘合密封形成夹心层结构，夹心层结构中间充满电解液；对电极和阳电极用导线直接连接，或者通过恒压直流电源间接连接，即对电极连接恒压直流电源的负极，阳电极连接恒压直流电源的正极。
2.根据权利要求1所述染料敏化光电催化降解装置，其特征在于：所述对电极为铂、钯、铑金属电极或碳基电极。
3.根据权利要求1所述染料敏化光电催化降解装置，其特征在于：所述阳电极为铂、钯、铑金属电极或碳基电极。
4.一种如权利要求1所述染料敏化光电催化降解装置的应用，其特征在于：用来降解有机污染物，方法是将降解电极和阳电极分别放入两个降解容器里，或者放入同一个降解容器里。
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