CN103762086A - 一种用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池，该电池以Ag/AgCl负载的手性TiO2纳米管作为阳极，以P/TiO2-Pt电极作为阴极，通过导线与外接电路相连接制成。该电池由于采用手性结的TiO2纳米管作为阳极，增加了其表面等离子共振效果，从而提高了阳极对有机污染物的氧化作用。在阳极有机物失去电子发生氧化反应生成H2O、CO2等物质，在阴极得到电子发生还原反应使铜离子等重金属还原并生成H2。本发明的染料敏化太阳能电池提高了燃料电池对有机物的降解作用，并从污水中回收能量，安全、高效、无有害物质产生。

Description

一种用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池
技术领域
本发明属于染料敏化太阳能电池技术领域，尤其是涉及用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池。
背景技术
水是人类和一切生物赖以生存的基本要素，也是维持人类社会可持续发展的基本条件之一。20世纪70年代以来，随着世界人口的剧增，全球经济的高速发展，用水量急剧增长，水污染日益严重。1997年联合国发布的《世界水资源综合评估报告》指出，水问题将严重制约21世纪全球的经济和社会发展，并可能导致国家间的冲突。中国是一个水资源短缺的国家，加之水资源时空分布不均，水土资源布局不匹配，水资源已成为制约中国社会经济可持续发展的重要因素。特别对于我国干旱半干旱地区而言，水资源问题尤为突出，已成为这些地区社会经济发展和生态环境演变的关键因素，受到国家和社会的高度关注。因此，必须在充分节约用水的基础上，多方面开发非传统水源，减少污废水对环境的危害，增加水资源的循环利用率，以缓解因水资源紧张带来的一系列严重问题。
随着人口的增加、工农业生产的发展，我国水环境污染日趋严重，许多地区的可用水资源出现了危机，越来越成为制约社会、经济的发展的关键因素。跨流域调水、海水淡化、污水回用和雨水蓄用是目前普遍受到重视的缓解水资源供需矛盾的措施。由于污水就近可得、水量稳定、不会发生与邻相争，不受气候影响等因素，污水回用经常被作为首选方案。污水回用是解决水资源危机的一项重要措施，也是一条成本低、见效快的有效途径。它不但可以缓解水资源短缺问题，同时还可以减少污染排放，改善水环境质量，对回收污水中存在的能量也具有重要的意义。由于污水中含有大量有机物、硝酸盐、重金属等污染物，为从污水中回收能量提供了可能性。然而传统的污水回用方法对这些能量的回收利用并没有太大效果，如何在去除这种物质的基础上进一步回收能量就成为一个迫切需要解决的问题。
为了实现可持续发展，解决日益严重的环境问题和能源危机，一些国家纷纷从国家战略的高度制定了新能源的发展计划。其中，太阳能是一种取之不尽，用之不竭的无污染能源，这使得开发利用太阳能作为解决目前能源问题的行之有效的手段而受到了特别的关注。由于太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性等其它常规能源所不具备的优点，因此太阳电池的应用范围很广，从空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑，世界光伏产业已经走过了半个世纪的历史。
目前应用最广泛的太阳电池是晶硅电池，但由于硅电池材料性质要求苛刻、加工工艺复杂和成本高，限制了晶硅电池大规模使用。染料敏化太阳能电池是一种非常规的太阳能电池，它与晶硅太阳电池相比其不存在p-n结，这样染料敏化太阳电池是靠多数载流子来实现电荷传导，不存在传统p-n结太阳电池中少数载流子和电荷传输材料表面复合等问题。敏化电池光吸收和电荷分离传输分别是由不同的物质完成的：光吸收是靠吸附在纳米半导体表面的敏化染料来完成，半导体仅起电荷分离和传输载体的作用。电解液中的氧化还原电对（I-/I3-）作为使电流稳定的电子桥梁，在染料敏化太阳能电池中起到了重要的作用，但是由于实际污水中I-/I3-电子对并不常见，使得在敏化电池中使用污水作为电解液具有一定的困难。然而，污水中广泛存在的有机物和无机物可以帮助解决这个问题，通过光电化学电池也可以从污水中同步产生氢气。在这个理想情况下，有机污染物会在阳极失去电子发生氧化反应，同时硝酸盐和重金属在阴极发生还原反应，质子也将得到电子发生还原产生H2。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池，既能以太阳能为能源提供能量，又能在处理污水的基础上回收污水中所含有的能量。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池，包括热熔垫片、导电玻璃基底、阳极、阴极和电解液；所述的热熔垫片呈回字型，固定于阳极与阴极之间，在阳极与阴极之间设电解液，在所述的阴极设作为填充电解质和收集产生气体的预留开口；在阳极与阴极的外侧面均设有导电玻璃基底，导电玻璃基底与导线相连，导线连接负载；其中，所述的导电玻璃基底为掺氟的氧化锡（FTO）导电玻璃；所述的电解液为含有有机污染物和无机污染物的污水；所述的阳极为以Ag/AgCl负载的手性TiO2纳米管阳极；所述的阴极为P/TiO2-Pt电极；所述的热熔垫片是厚度为25μm的Surlyn1702热熔垫片。
所述的Ag/AgCl负载的手性TiO2纳米管阳极的管径为20nm，管长为500nm，负载在TiO2纳米管上的Ag/AgCl纳米颗粒的直径为5-8nm。
所述的阳极由以下方法制备：
（1）在14mL煮沸的蒸馏水中加入6g聚乙烯醇并强力搅拌，得到一种高粘性液体，将其在70℃条件下加入由18mL蒸馏水和25mL乙醇组成的混合溶剂中稀释；
（2）在步骤（1）中得到的PVA/水/乙醇溶液中加入1.62g准备好的Ag/AgCl负载的手性TiO2纳米管，产生悬浮液并在室温下冷却；
（3）采用刮刀涂布技术在FTO玻璃上均匀涂敷步骤（2）中得到的悬浮液，将所得膜片放置在一个干净的箱子中15min以减少表面不规则性和涂层的残余机械应力。阳极膜的厚度为11μm，通过重复刮刀涂布技术的次数来控制；
（4）将步骤（3）所得膜片在真空干燥箱中加热干燥15min，温度为80℃，然后在管式电阻炉中在空气中煅烧30min，煅烧温度为500℃；
（5）将步骤（4）所得膜片浸没在含有0.5 mM N719染料的乙腈和叔丁醇混合液中6h，使染料浸渍在膜片表面，最后将有染料负载的阳极在乙腈中清洗后在氮气中干燥。
所述的阴极由以下方法制备：
（1）在14mL煮沸的蒸馏水中加入6g聚乙烯醇并强力搅拌，得到一种高粘性液体，将其在70℃条件下加入由18mL蒸馏水和25mL乙醇组成的混合溶剂中稀释；
（2）在步骤（1）中得到的PVA/水/乙醇溶液中加入1.62g准备好的P/TiO2-Pt，产生悬浮液并在室温下冷却；
（3）采用刮刀涂布技术在FTO玻璃上均匀涂敷步骤（2）中得到的悬浮液，将所得膜片放置在一个干净的箱子中15min以减少表面不规则性和涂层的残余机械应力。阳极膜的厚度为11μm，通过重复刮刀涂布技术的次数来控制；
（4）将步骤（3）所得膜片在真空干燥箱中加热干燥15min，温度为80℃，然后在管式电阻炉中在空气中煅烧30min，煅烧温度为500℃。
所述的FTO导电玻璃基底通过以下方法进行预处理：将FTO导电玻璃放置在2-丙醇中超声清洗30min，再用蒸馏水彻底漂洗，最后在氮气中干燥。
本发明的用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池，是在染料敏化太阳能电池反应器中加入含有机污染物和硝酸盐、重金属等无机污染物的污水，在光照条件下进行即可。在此情况下，染料敏化电池的阳极中，由于存在手性结构增加了其表面等离子共振（SPR）效果，从而提高了阳极对有机污染物的氧化作用。在光照条件下，阳极失去电子发生氧化反应生成H2O、CO2等物质，阴极得到电子发生还原反应使铜离子等重金属还原并生成H2。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1）大大提高了染料敏化太阳能电池阳极处的电子产率，从而加快了降解有机污染物的过程，尤其对于一些微量难降解有机物（EE2等）的降解过程。
2）在处理污水的同时，提供了一种从污水中回收能量的方法，达到污水回用的目的。
3）Ag/AgCl负载的手性TiO2纳米管具有制作可重复，使用周期长，清洁方便，可成批生产等有点。
4）染料敏化电池运行过程安全高效，无其他有害物质生成。
附图说明
图1是染料敏化太阳能电池封装图；
图2是染料敏化太阳能电池连接图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，本发明不仅限于以下实施例。
实施例1  阳极3的制备
1）在14mL煮沸的蒸馏水中加入6g聚乙烯醇（PVA）并强力搅拌，得到一种高粘性液体，将其在70℃条件下加入由18mL蒸馏水和25mL乙醇组成的混合溶剂中稀释。
2）在步骤1）中得到的PVA/水/乙醇溶液中加入1.62g准备好的Ag/AgCl负载的手性TiO2纳米管，产生悬浮液并在室温下冷却。
3）采用刮刀涂布技术在FTO玻璃上均匀涂敷步骤2）中得到的悬浮液（面积为3cm×3cm），将所得膜片放置在一个干净的箱子中15min以减少表面不规则性和涂层的残余机械应力。阳极膜的厚度为11μm，通过重复刮刀涂布技术的次数来控制。
4）将步骤3）所得膜片在真空干燥箱中加热干燥15min，温度为80℃，然后在管式电阻炉中在空气中煅烧30min，煅烧温度为500℃。
5）将步骤4）所得膜片浸没在含有0.5 mM N719染料的乙腈和叔丁醇（体积比为1:1）混合液中6h，使染料浸渍在膜片表面，最后将有染料负载的阳极在乙腈中清洗后在氮气中干燥。
实施例2  P/TiO2-Pt阴极4的制备
方法同实施例1，不同的在于在PVA/水/乙醇溶液中加入P/TiO2-Pt后重复上述实施例1的步骤2）~4）。
实施例3  FTO导电玻璃基底的预处理
将FTO导电玻璃放置在2-丙醇中超声清洗30min，再用蒸馏水彻底漂洗，最后在氮气中干燥。
实施例4
如图1和图2所示，一种用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池，以Ag/AgCl负载的手性TiO2纳米管作为阳极3（钛片大小为3cm×3cm，实施例1制备），以P/TiO2-Pt电极作为阴极4（铂片大小为5cm×5cm，实施例2制备）。以厚度为25μm的Surlyn1702热熔垫片1为封装材料，将热熔垫片1加工成回字型，固定于两电极间（热熔垫片内圈尺寸略大于TiO2纳米管）。预先在阴极4上钻孔（直径1mm）使孔正对热熔垫片1与TiO2纳米管之间的空隙，以作为填充电解质和收集产生气体的预留开口。固定后加热固化，在两电极接缝处焊锡，两个电极的间距为5mm，抽真空利用负压将电解液5填充入电池内。导线6的一端连接在染料敏化电池反应器阳极3上的导电玻璃基底2处，通过外接负载7后导线6再与染料敏化电池反应器阴极4上的导电玻璃基底2连接。其中，导电玻璃基底2为掺氟的氧化锡（FTO）导电玻璃（厚2.3mm，面积25cm2，方块电阻8Ω/sq，经实施例3预处理后）；电解液5为含有有机污染物和硝酸盐、重金属等无机污染物的污水；以Ag/AgCl负载的手性TiO2纳米管阳极3的管径为20nm，管长为500nm，负载在TiO2纳米管上的Ag/AgCl纳米颗粒的直径为5-8nm。
使用以加入EE2（色谱纯）和CuSO4的污水为电解液的染料敏化太阳能电池，其中TOC初始浓度为44mg/L，EE2初始浓度为0.56mg/L，Cu2+初始浓度为1.03mg/L，TN初始浓度为13mg/L。经过120min的反应时间，TOC、EE2和Cu2+均在此电池的作用下浓度下降到不可测得，TN浓度下降到初始浓度的30%，证明了染料敏化太阳能电池对污染物的氧化还原作用。此外，电池两端电压为0.65V，导线上的电流为8.7mA/cm2，证明了染料敏化太阳能电池反应器作为电源的作用。

Claims (5)

1.一种用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池，其特征在于：包括热熔垫片（1）、导电玻璃基底（2）、阳极（3）、阴极（4）和电解液（5）；所述的热熔垫片（1）呈回字型，固定于阳极（3）与阴极（4）之间，在阳极（3）与阴极（4）之间设电解液（5），在所述的阴极（4）设作为填充电解质和收集产生气体的预留开口；在阳极（3）与阴极（4）的外侧面均设有导电玻璃基底（2），导电玻璃基底（2）与导线（6）相连，导线（6）连接负载（7）；其中，所述的导电玻璃基底（2）为掺氟的氧化锡（FTO）导电玻璃；所述的电解液（5）为含有有机污染物和无机污染物的污水；所述的阳极（3）为以Ag/AgCl负载的手性TiO2纳米管阳极；所述的阴极（4）为P/TiO2-Pt电极；所述的热熔垫片（1）是厚度为25μm的Surlyn1702热熔垫片。
2.根据权利要求1所述的用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池，其特征在于：所述的Ag/AgCl负载的手性TiO2纳米管阳极的管径为20nm，管长为500nm，负载在TiO2纳米管上的Ag/AgCl纳米颗粒的直径为5-8nm。
3.根据权利要求1所述的用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池，其特征在于：所述的阳极（3）由以下方法制备：
（1）在14mL煮沸的蒸馏水中加入6g聚乙烯醇并强力搅拌，得到一种高粘性液体，将其在70℃条件下加入由18mL蒸馏水和25mL乙醇组成的混合溶剂中稀释；
（2）在步骤（1）中得到的PVA/水/乙醇溶液中加入1.62g准备好的Ag/AgCl负载的手性TiO2纳米管，产生悬浮液并在室温下冷却；
（3）采用刮刀涂布技术在FTO玻璃上均匀涂敷步骤（2）中得到的悬浮液，将所得膜片放置在一个干净的箱子中15min以减少表面不规则性和涂层的残余机械应力；阳极膜的厚度为11μm，通过重复刮刀涂布技术的次数来控制；
（4）将步骤（3）所得膜片在真空干燥箱中加热干燥15min，温度为80℃，然后在管式电阻炉中在空气中煅烧30min，煅烧温度为500℃；
（5）将步骤（4）所得膜片浸没在含有0.5 mM N719染料的乙腈和叔丁醇混合液中6h，使染料浸渍在膜片表面，最后将有染料负载的阳极在乙腈中清洗后在氮气中干燥。
4.根据权利要求1所述的用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池，其特征在于：所述的阴极（4）由以下方法制备：
（1）在14mL煮沸的蒸馏水中加入6g聚乙烯醇并强力搅拌，得到一种高粘性液体，将其在70℃条件下加入由18mL蒸馏水和25mL乙醇组成的混合溶剂中稀释；
（2）在步骤（1）中得到的PVA/水/乙醇溶液中加入1.62g准备好的P/TiO2-Pt，产生悬浮液并在室温下冷却；
（3）采用刮刀涂布技术在FTO玻璃上均匀涂敷步骤（2）中得到的悬浮液，将所得膜片放置在一个干净的箱子中15min以减少表面不规则性和涂层的残余机械应力；阳极膜的厚度为11μm，通过重复刮刀涂布技术的次数来控制；
（4）将步骤（3）所得膜片在真空干燥箱中加热干燥15min，温度为80℃，然后在管式电阻炉中在空气中煅烧30min，煅烧温度为500℃。
5.根据权利要求1所述的用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池，其特征在于：所述的FTO导电玻璃基底通过以下方法进行预处理：将FTO导电玻璃放置在2-丙醇中超声清洗30min，再用蒸馏水彻底漂洗，最后在氮气中干燥。
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