CN103469240A - 一种染料降解与产氢协同促进的反应装置和制备方法 - Google Patents

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李芳�
李鑫
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Abstract

本发明公开了一种染料降解与产氢协同促进的反应装置和制备方法，它包括H型电解池和电解质溶液，所述H型电解池的两室分别为阳极室和阴极室，中间通过连通管连通，连通管的中间设置有砂芯隔膜；所述的阳极室内放置有光阳极和参比电极，阴极室内放置有阴极，参比电极、光阳极和阴极通过电化学工作站连接；所述的阳极室外设置有光源装置，光源正对光阳极；阴极室与氢气收集装置连接。将有机染料加入阴极室，在光源照射下，以参比电极为标准通过电化学工作站给光阳极施加一定的偏电压，即可将光照激发产生的电子传导至阴极，进行降解与产氢的反应。本发明在利用光电催化技术进行产氢时，发现有机染料的加入，在促进了氢气生成的同时，也实现了染料本身快速高效的降解。

Description

一种染料降解与产氢协同促进的反应装置和制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能光电催化制氢和有机染料处理的环境技术领域，尤其涉及到一种染料降解与氢气生成的相互协同促进的反应装置和制备方法。
背景技术
目前世界上，能源问题和环境问题是制约各国经济发展和社会进步的关键因素。现代工业的飞速发展造成了传统的化石燃料能源的大量使用，一方面，在过去20年里全世界能源消耗增长了50%，以目前的消耗速度，即使是地球储量较丰富的煤炭资源在未来200年内也将消耗殆尽；另一方面，煤、石油、天然气为主的化石资源的燃烧所释放的CO2、SO2等有害气体又带来了“温室效应”、酸雨等诸多环境污染问题。至此，现代工业的发展在给人类社会带来文明和繁荣的同时，也带来了极其严重的全球性问题，构建洁净的、环境友好的、非化石燃料的可再生新能源体系，已经成为世界各国度关注的焦点和重大战略。氢能作为一种高燃烧值（能量密度为普通汽油的3倍）、燃烧产物（水）无污染、可持续的“无碳”能源等优势，被公认为是21世纪的绿色能源，因而，利用自然界丰富的太阳能实现氢能转化和污染物染料的降解是目前能源与环境领域的研究热点，日益受到国际社会的高度关注。太阳能光催化技术由于各种影响因素的制约普遍存在效率低下的问题，无法实现工业化推广。
基于光电催化技术能有效降解污染物，结合光电催化技术可以达到分解水产生氢气，从而期望进一步发展利用光电催化技术协同降解染料与产氢的方法。目前对于这一方面的报道，更多的是集中在如何提高光阳极材料的太阳光利用效率，以及合理有效的反应装置体系的设计等方面，也有相关报道实现了在阳极降解染料和阴极制备氢气的同时发生，但目前并没有报道提到将这两部分反应同时在阴极发生时所具有较大的相互协同促进作用。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种染料降解与产氢协同促进的反应装置和制备方法，以解决现有技术的上述问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种染料降解与产氢协同促进的反应装置，包括H型电解池和电解质溶液，所述H型电解池的两室分别为阳极室和阴极室，中间通过连通管连通，连通管的中间设置有砂芯隔膜；所述的阳极室内放置有光阳极和参比电极，阴极室内放置有阴极，参比电极、光阳极和阴极通过电化学工作站连接；所述的阳极室外设置有光源装置，光源正对光阳极；阴极室与氢气收集装置连接。
所述光阳极为可见光响应的半导体修饰的TiO2纳米管阵列电极；优选的，所述的可见光响应的半导体可选择CdS、CdSe或CdS/CdSe共修饰的TiO2纳米管阵列电极材料。
所述阴极选用金属氢键较弱的电极材料，如Cd、Zn等电极。
所述光源装置对光阳极进行照射激发时，光源采用λ＞400nm的可见光光源；
所述参比电极为饱和甘汞电极（SCE），其与光阳极之间的距离应尽可能接近但不能接触，两者之间距离小于1cm。
还需加入一定浓度的电解质，以便于电荷在溶液中进行传递形成电流回路，有利于反应的进行，所述电解质溶液阳极室为0.2M Na2S溶液，阴极室为0.2M Na2SO4中性电解质溶液。
所述的砂芯隔膜为3～4号砂芯隔膜。
染料降解与产氢协同促进的制备方法，包括以下步骤：
1）协同降解与产氢装置的设计与组装；
2）将有机染料加入阴极室，在光源照射下，以参比电极为标准通过电化学工作站给光阳极施加一定的偏电压，即可将光照激发产生的电子传导至阴极，进行降解与产氢的反应。
协同降解与产氢的作用机理大致如下：
(1)光阳极收到光照激发，产生光生电子-空穴对，光生电子经由TiO2纳米管传导至基底，在偏电压的作用下，传递至阴极进行还原反应。
Catalyst+hυ（λ＞400nm）→h++e-；
(2)光激发产生的光生空穴在阳极发生氧化反应。
Na2S+2h+→2Na++S
(3)大量的光生电子通过外电路被传导至阴极后，在阴极发生一系列的复杂的反应后，完成了氢气的生成和染料的降解过程。
本发明的有益效果是：光电催化协同降解与产氢实现了在可见光的照射下高效降解有机染料污染物和制备氢气的效果，较大限度地提高了太阳光的利用效率。本发明最大的亮点在于利用光电催化技术进行产氢时，发现有机染料的加入，在促进了氢气生成的同时，也实现了染料本身快速高效的降解。此外，染料的加入也使得在廉价的Cd、Zn等电极上有着较Pt电极更高的产氢效率。
附图说明
图1为光电催化协同降解与产氢的机理示意图。
图2为光电催化协同降解与产氢的简易反应装置图。
图中，1、H型电解池  2、砂芯隔膜  3、参比电极  4、光阳极  5、阴极  6、电化学工作站  7、光源装置  8、氢气收集装置。
图3为光电催化协同降解与产氢的选用不同阴极对反应的活性影响比较柱状图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的技术特点：
如图2所示，一种染料降解与产氢协同促进的反应装置，包括H型电解池1和电解质溶液，所述H型电解池1的两室分别为阳极室和阴极室，中间通过连通管连通，连通管的中间设置有砂芯隔膜2；所述的阳极室内放置有光阳极4和参比电极3，阴极室内放置有阴极5，参比电极3、光阳极4和阴极5通过电化学工作站6连接；所述的阳极室外设置有光源装置7，光源正对光阳极4；阴极室与氢气收集装置8连接。
如图2所示，本实例采用的是三电极反应体系，以确定施加在光阳极4上的偏电压，并将光阳极4与阴极5分开。为保证两边电解池的大气压强相同，因此，两池上端空气部分应保持连通。
所述光阳极4为可见光响应的半导体修饰的TiO2纳米管阵列电极；所述的可见光响应的半导体可选择CdS、CdSe或CdS/CdSe共修饰的TiO2纳米管阵列电极材料。
所述阴极5选用金属氢键较弱的电极材料，如Cd、Zn等电极。
所述光源装置7对光阳极4进行照射激发时，光源可采用λ＞400nm的可见光光源；
所述参比电极3为饱和甘汞电极（SCE），其与光阳极4之间的距离应尽可能接近但不能接触。两者之间的距离小于1cm。
还需加入一定浓度的电解质，以便于电荷在溶液中进行传递，也有利于反应的进行，所述电解质溶液阳极室为0.2M Na2S溶液，阴极室为0.2M Na2SO4中性电解质溶液。
所述的砂芯隔膜为3～4号砂芯隔膜。
染料降解与产氢协同促进的制备方法，包括以下步骤：
1）协同降解与产氢装置的设计与组装；
2）将有机染料加入阴极室，在光源照射下，以参比电极为标准通过电化学工作站给光阳极施加一定的偏电压，即可将光照激发产生的电子传导至阴极，进行降解与产氢的反应。
如图1所示，光照射到光阳极4的表面，激发产生光生电子空穴，空穴留在光阳极4表面发生氧化反应；电子在偏电压的作用下迁移至阴极5发生还原反应。
协同降解与产氢的作用机理大致如下：
(1)光阳极收到光照激发，产生光生电子-空穴对，光生电子经由TiO2纳米管传导至基底，在偏电压的作用下，传递至阴极进行还原反应。
Catalyst+hυ（λ＞400nm）→h++e-；
(2)光激发产生的光生空穴在阳极发生氧化反应。
Na2S+2h+→2Na++S
(3)大量的光生电子通过外电路被传导至阴极后，在阴极发生一系列的复杂的反应后，完成了氢气的生成和染料的降解过程。
如图3可知，降解与产氢效率均达到很好效果，且在不同材质的电极得到的结果也不相同。

Claims (8)

1.一种染料降解与产氢协同促进的反应装置，包括H型电解池和电解质溶液，其特征在于：所述H型电解池的两室分别为阳极室和阴极室，中间通过连通管连通，连通管的中间设置有砂芯隔膜；所述的阳极室内放置有光阳极和参比电极，阴极室内放置有阴极，参比电极、光阳极和阴极通过电化学工作站连接；所述的阳极室外设置有光源装置，光源正对光阳极；阴极室与氢气收集装置连接。 
2.根据权利要求1所述的染料降解与产氢协同促进的反应装置，其特征在于：所述光阳极为可见光响应的半导体修饰的TiO2纳米管阵列电极；所述阴极选用金属氢键较弱的电极材料。 
3.根据权利要求2所述的染料降解与产氢协同促进的反应装置，其特征在于：所述的可见光响应的半导体可选择CdS、CdSe或CdS/CdSe共修饰的TiO2纳米管阵列电极材料；所述的阴极为Cd或Zn电极。 
4.根据权利要求1所述的染料降解与产氢协同促进的反应装置，其特征在于：所述参比电极为饱和甘汞电极，其与光阳极之间的距离应尽可能接近但不能接触，两者之间距离小于1cm。 
5.根据权利要求1所述的染料降解与产氢协同促进的反应装置，其特征在于：所述光源装置对光阳极进行照射激发时，光源采用＞400nm的可见光光源。
6.根据权利要求1所述的染料降解与产氢协同促进的反应装置， 其特征在于：所述电解质溶液阳极室为0.2M Na2S溶液，阴极室为0.2M Na2SO4中性电解质溶液。 
7.根据权利要求1所述的染料降解与产氢协同促进的反应装置，其特征在于：所述的砂芯隔膜为3～4号砂芯隔膜。 
8.权利要求1所述染料降解与产氢协同促进的制备方法，其特征在于：包括以下步骤： 
1）协同降解与产氢装置的设计与组装； 
2）将有机染料加入阴极室，在光源照射下，以参比电极为标准通过电化学工作站给光阳极施加一定的偏电压，即可将光照激发产生的电子传导至阴极，进行降解与产氢的反应。 
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