CN106340661A - 一种三元异质结光电催化膜燃料电池系统 - Google Patents

一种三元异质结光电催化膜燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于能源与污水处理技术领域，一种三元异质结光电催化膜燃料电池系统。该光电催化膜燃料电池系统包括反应器、曝气装置和计算机数据采集系统；所述的反应器为石英玻璃材质，反应器底部设置曝气头曝空气；阳极为半导体异质结催化膜组件，阴极为半导体或电催化阴极；半导体异质结催化膜阳极与催化阴极之间连接有外电阻，外电阻的阻值为1‑1200Ω；三元异质结光电催化膜燃料电池系统产生的电压通过计算机数据采集系统采集。在低能耗条件下处理污水并产能，廉价材料制备三元异质结催化阳极膜组件与催化阴极，无需外加光照或电压，利用半导体催化剂异质结间的自发电子转移产生氧化性自由基，氧化污染物，同时膜的过滤作用加速催化反应。

Description

一种三元异质结光电催化膜燃料电池系统
技术领域
本发明属于能源与污水处理技术领域，涉及通过制备三元异质结催化膜电极，将催化电极与多孔滤膜合二为一，纳米催化复合材料和膜孔结构增大电极界面接触与比表面积，催化与过滤作用同时实现污染物的去除。
背景技术
随着人类社会的不断进步，抗生素污染引起的健康问题越来越严重，我国养殖业中抗生素用量惊人，在带来诸多便利的同时也对环境带来了巨大的负面影响；环境排放污染负荷较高，人们担忧抗性基因和耐药菌可能导致超级抗药菌爆发，使抗生素失效，给人类带来灾难，也担忧抗生素的低剂量长期暴露导致青少年肥胖。利用光电催化或膜分离作用可以去除水中包括抗生素在内的污染物，但是存在处理难降解废水时的高能耗问题，这是研究者努力要解决的问题。近来将电极膜或水处理产电的微电场结合，提高处理效率，减缓膜污染的研究，但以上方法，均存在各自的优缺点，因此需要突破这两个技术瓶颈，设计一种节能、高效地污水处理工艺，实现污染物去除。
三元异质结催化剂较二元异质结催化剂具有更高的催化活性和稳定性；光催化剂异质结的内建电场有助于提高光生电子和空穴的分离，同时扩大光响应范围；半导体异质结光催化剂上光生电子和光生空穴分别产生具有氧化性能的自由基，达到消除有机污染物或形成产物的目的；目前仍无研究将三元异质结光电催化膜利用于去除抗生素，因此需提供一种低能耗且高效的水污染控制系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种三元异质结光电催化膜燃料电池系统，解决了在无外加光照或外加电压的条件下，利用低能耗降解污染物的问题。
本发明的技术方案：
一种三元异质结光电催化膜燃料电池系统，该三元异质结光电催化膜燃料电池系统包括反应器、曝气装置和计算机数据采集系统；所述的反应器为石英玻璃材质，反应器底部设置曝气头曝空气；阳极为半导体异质结催化膜组件，阴极为半导体或电催化阴极；半导体异质结催化膜阳极与阴极之间连接有外电阻，外电阻的阻值为1-1200Ω；三元异质结光电催化膜燃料电池系统产生的电压通过计算机数据采集系统采集。
所述的半导体异质结催化膜阳极包含两种或三种导带与价带位置不同的半导体催化剂，将上述催化剂与制膜材料搅拌混合均匀后，刮膜于导电基体上，膜厚度为100-500μm。
所述的半导体催化剂为TiO2、g-C3N4、Cu2O2、TiO2、BiVO4或CdS。
所述的制膜材料为PVDF或醋酸纤维素。
所述的导电基体为不锈钢网或碳纤维布，或将半导体催化剂与导电物质复合，导电物质为rGO、CNT、铁粉或碳粉。
所述的阴极是与半导体异质结催化膜阳极存在费米能级差的半导体催化剂，或具有电催化活性的金属催化剂；所述的半导体催化剂如WO3、ZnO、ZnIn2S4、SnO2等，电催化电极如铂片，纳米铁、钴、镍等。
不同类型的污染水体置于反应器内，所述的污染水体为难降解污染物废水，如全氟辛烷磺酸盐类、染料、抗生素等。
一种三元异质结光电催化膜燃料电池系统运行：在有光与无光两种条件下，均可实现废水中污染物的去除；导带较负适合输出电子，价带较正适合作阴极接受电子，基于此原则选择半导体制备三元异质结催化剂，如g-C3N4导带位置-1.12eV，益于光激发产生电子，且与金属(Fe、Co、Ni)和宽带隙能半导体(TiO2、BiVO4)结合形成异质结扩大可见光响应范围，增强电子传导。PVDF或醋酸纤维素作为制膜材料，加入碳纳米管或石墨烯增加膜的导电性能与加速电子传导，三元异质结的形式分为S-S-M、S-M-C或S-S-C(S:semiconductor,M:metal,C:carbon)，异质结的结构则设计为费米能级的交错。在无外加光照或外加电压的条件下，半导体异质结催化阳极膜与半导体阴极间由于内偏压的存在，半导体异质结催化剂间自偏压产生电子流动，自发产生的电子一部分与氧气反应生成·O2 -，另一部分通过外电路传导至阴极减少空穴和电子对之间的复合；半导体所产生的h+与吸附在半导体表面的H2O或OH-反应生成·OH，·OH与·O2 -为强氧化剂，氧化降解污水中的污染物；产生的空穴也具有强氧化性，能够直接氧化水中污染物；同时，膜的过滤作用可加强污水与纳米催化复合材料间的接触，催化与过滤作用同时实现污染物的去除。
本发明的有益效果：在低能耗条件下处理污水并产能，廉价材料制备三元异质结催化阳极膜组件与催化阴极，无需外加光照或电压，利用半导体催化剂异质结间的自发电子转移产生氧化性自由基，氧化污染物，同时膜的过滤作用加速催化反应。
附图说明
图1是一种三元异质结光电催化膜燃料电池系统图。
图中：1三元异质结光电催化膜；2膜进水方向；3电子流动方向；4外加电阻；5阳极膜组件；6阴极。
图2是三元异质结光电催化膜循环伏安图。
图中：含二氧化钛、氮化碳、碳纳米管三元异质结光电催化膜作为工作电极，铂片作为对电极，甘汞电极作为参比电极，于0.2mol L-1硫酸钠溶液中扫描三圈测得循环伏安图，横坐标表示电压，单位伏特，纵坐标表示电流，单位安培。
图3是半导体催化阴极循环伏安图。
图中：含銦酸锌催化电极作为工作电极，铂片作为对电极，甘汞电极作为参比电极，于0.2mol L-1硫酸钠溶液中扫描测得循环伏安图，横坐标表示电压，单位伏特，纵坐标表示电流，单位安培。
图4是三元异质结光电催化膜燃料电池系统污染物降解率图。
图中：横坐标表示时间，单位分钟，纵坐标表示去除率。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1
三元半导体异质结催化阳极膜制备与表征：4g醋酸纤维素溶于25ml醋酸溶液中，加热、搅拌加速溶解，加入0.5g g-C3N4和0.3g碳纳米管，搅拌均匀，加入6mL去离子水；冰浴条件下，逐渐滴加10ml钛酸四丁酯与10ml乙醇的混合溶液，封口，磁力搅拌6h，刮墨刀于10*5cm2碳纤维布上刮膜，膜厚度300μm；所制得三元半导体异质结催化阳极膜作为工作电极，于硫酸钠中扫描循环伏安图，如图1所示。半导体催化阴极ZnIn2S4制备：将0.25mmol硝酸锌、0.5mmol硝酸铟、4mmol硫代乙酰胺溶解到50mL去离子水中，制成混合溶液；上述溶液转入高压反应釜中，80℃反应6h；自然冷却，抽滤，去离子水冲洗，60℃真空干燥，研钵研磨待用；取0.2g上述ZnIn2S4催化剂溶于适量乙醇溶液中，加入0.1mL硅溶胶搅拌均匀，涂于2*5cm2不锈钢网上，所述不锈钢网经过砂纸打磨，乙醇浸泡，超声清洗；所制得半导体催化阴极ZnIn2S4作为工作电极，于硫酸钠中扫描循环伏安图，如图2所示。
一种三元异质结光电催化膜燃料电池系统运行：上述三元半导体异质结催化阳极膜组件作为阳极置于反应器左侧，半导体催化阴极ZnIn2S4置于反应器右侧，如图3本系统可实现在有光或无光条件下均可降解污染物；0.05mol·L-1NaOH与50mg·L-1三氯生污水置于反应器中，反应器底部曝入空气，提供氧气，用于电子活化氧气产生自由基；通过泵抽吸，阳极组件顶端出水，阳极与阴极通过1000Ω外电阻相连；如图4所示，在无外加光照条件下反应四小时，反应器内三氯生的降解率为76.42％。

Claims (9)

1.一种三元异质结光电催化膜燃料电池系统，其特征在于，该三元异质结光电催化膜燃料电池系统包括反应器、曝气装置和计算机数据采集系统；所述的反应器为石英玻璃材质，反应器底部设置曝气头曝空气；阳极为半导体异质结催化膜组件，阴极为半导体或电催化阴极；半导体异质结催化膜阳极与阴极之间连接有外电阻，外电阻的阻值为1-1200Ω；三元异质结光电催化膜燃料电池系统产生的电压通过计算机数据采集系统采集。
2.根据权利要求1所述的三元异质结光电催化膜燃料电池系统，其特征在于，所述的半导体异质结催化膜阳极包含两种或三种导带与价带位置不同的半导体催化剂，将上述催化剂与制膜材料搅拌混合均匀后，刮膜于导电基体上，膜厚度为100-500μm。
3.根据权利要求2所述的三元异质结光电催化膜燃料电池系统，其特征在于，所述的半导体催化剂为TiO2、g-C3N4、Cu2O2、TiO2、BiVO4或CdS。
4.根据权利要求2或3所述的三元异质结光电催化膜燃料电池系统，其特征在于，所述的制膜材料为PVDF或醋酸纤维素。
5.根据权利要求2或3所述的三元异质结光电催化膜燃料电池系统，其特征在于，所述的导电基体为不锈钢网或碳纤维布，或将半导体催化剂与导电物质复合，导电物质为rGO、CNT、铁粉或碳粉。
6.根据权利要求4所述的三元异质结光电催化膜燃料电池系统，其特征在于，所述的导电基体为不锈钢网或碳纤维布，或将半导体催化剂与导电物质复合，导电物质为rGO、CNT、铁粉或碳粉。
7.根据权利要求2、3或6所述的三元异质结光电催化膜燃料电池系统，其特征在于，所述的阴极是与半导体异质结催化膜阳极存在费米能级差的半导体催化剂，或具有电催化活性的金属催化剂。
8.根据权利要求4所述的三元异质结光电催化膜燃料电池系统，其特征在于，所述的阴极是与半导体异质结催化膜阳极存在费米能级差的半导体催化剂，或具有电催化活性的金属催化剂。
9.根据权利要求5所述的三元异质结光电催化膜燃料电池系统，其特征在于，所述的阴极是与半导体异质结催化膜阳极存在费米能级差的半导体催化剂，或具有电催化活性的金属催化剂。
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