CN110165243A - 一种新型压电材料构建光催化自偏压污染控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于低能耗污水处理与能量回收利用技术领域，提供了一种新型压电材料构建光催化自偏压污染控制系统。利用具有压电效应的半导体光催化材料作阳极，匹配光/电催化阴极构建自偏压污染控制系统，利用外界机械力作用实现材料压电效应产生压电电势，提升该系统产电和污染物去除效果。本发明在低能耗的条件下实现污水处理并产能，电极材料的压电效应的引入加速体系的催化反应的进行。在光照条件下，体系通过光催化和压电效应作用，而在无光照条件下，体系可通过压电效应作用实现电能输出，耦合高级氧化技术可提升污水处理。

Description

一种新型压电材料构建光催化自偏压污染控制系统
技术领域
本发明具体属于低能耗污水处理与能量回收利用技术领域，涉及一种高效的压电材料构建光催化电极及其自偏压污染控制系统，压电效应的引入辅助提升体系污水处理处理性能及电能输出。
背景技术
能源与环境问题是目前人类面临的两大问题，其中水体污染导致严重的淡水资源短缺问题。因而，如何有效地低能耗处理有机废水是一个亟待解决的问题。而市政、工业及生活废水中蕴含丰富的化学能，因此采用有效的方法在治理废水的同时利用其中的能量，对水处理的可持续发展十分有意义。光催化燃料电池(PFC)，在光照条件下，光催化阳极产生电子和空穴，光阳极表面的光生空穴和产生的自由基去除污染物，同时光生电子通过外电路传递到阴极构成回路，在阴极发生还原反应。目前对于PFC的研究，为了提升电池的污染物降解性能以及产电性能，主要是对光催化电极材料、电池构型以及耦合体系的探究。
压电效应是力学和电学之间产生的相互作用，而正压电效应是指压电材料能将机械能向电能转换的过程，利用介质产生的机械形变实现能量的转变。按照晶体结构的不同，常见的压电材料一般分为六方纤锌矿、钙钛矿及聚合物三种类型。而在众多的压电半导体材料中，纤锌矿结构的氧化锌(ZnO)几乎具有最大的压电系数，在压电、光电、力电、生物传感等领域广泛应用。由于ZnO缺乏对称中心，因此当受到外力作用时会发生形变，导致正负电荷中心发生偏移引起极化现象，从而产生压电电势；当撤去外力后，形变消失，压电电势随之消失。
因此，利用具备光电催化性能的ZnO基等压电材料构建光催化自偏压污染控制系统。本发明的目的是将电极材料的压电效应引入自偏压污染控制系统中，利用电极材料压电效应产生的压电电势，提升系统产电；同时促进光生电子的转移，提升电子转移效率，提升体系污染物去除效率。本发明对于拓展压电材料应用以及提升自偏压污染控制系统性能具有一定的意义。
发明内容
本发明目的是构建基于压电电极的光催化自偏压污染控制系统，将压电材料应用于自偏压污染控制系统，拓展压电材料的应用，提升自偏压污染控制系统的产电及污染物去除效果。
本发明的技术方案：
一种新型压电材料构建的光催化自偏压污染控制系统，包括单室石英反应装置、机械搅拌装置、曝气装置、压电电极及数据采集系统；
压电电极包括光催化阳极和阴极；光催化阳极为负载压电光催化剂，压电光催化剂为采用申请号201710939796.0中制备的泡沫镍基光催化材料，阴极为催化阴极或光催化阴极；光催化阳极与阴极间连接为电阻100-2000Ω；
阴极底部设置有曝气装置曝空气；
不同类型的污水置于单室石英反应装置中作为电解液同时被催化降解；
压电电极在机械搅拌装置作用下产生电压：(1)系统在光照条件下，具有光催化效应的压电阳极材料产生电子与空穴，同时压电作用促进电子空穴的分离，促进电子传递，电子通过外电路传递到阴极与阴极产生自偏压，压电与偏压输出产电，而体系中电子和空穴分别进一步反应产生超氧及羟基自由基，实现污染物的降解；(2)系统在无光照条件下，光催化自偏压污染控制系统依靠压电作用输出电能，耦合高级氧化技术实现污染物高效降解；
该光催化自偏压污染控制系统产生的电压由数据采集系统采集。
所述的产生压电效应的机械形变通过对自偏压污染控制系统溶液搅拌、超声实现，该污染控制系统在实际污水处理应用中，在水流落差处实现对压电材料的机械力作用。
所述的阴极材料为与光催化阳极费米能级匹配的光催化阴极材料如Pt片电极或Cu2O/Cu等。
本发明的有益效果：在低能耗的条件下实现污水处理并产能，具有压电效应的光催化阳极与催化阴极构建自偏压污染控制系统，压电效应协助光催化作用，加速催化反应的进行，提升体系污染物去除效果同时提升体系电能输出；同时在无光照情况下，体系在压电效应作用下实现污染物降解和电能输出。
附图说明
图1是本发明ZnO纳米棒阵列/FTO电极在光照与无光条件下电化学LSV测试对比图(电压范围-0.5-1.0V，电解液PBS缓冲溶液)。
图2是本发明ZnO纳米棒阵列/FTO电极在光照条件下，体系在不同的搅拌速度下电化学LSV测试对比图(电压范围-0.5-1.0V，电解液PBS缓冲溶液)。
图3是本发明ZnO纳米棒阵列/FTO电极在光照条件下，体系在不同的搅拌速度下电化学阻抗EIS测试图(电压范围-0.5-1.0V，电解液PBS溶液)。
图4是本发明ZnO纳米棒阵列/FTO阳极，Pt片阴极构建光催化自偏压系统，系统在不搅拌和700转/分钟搅拌速度下的开路电压，横坐标为时间(单位：s)，纵坐标为电压(单位：V)。
图5是本发明ZnO纳米棒阵列/FTO阳极，Pt片阴极构建光催化自偏压系统，在光照条件下分别在搅拌与不搅拌条件下对10mg/l罗丹明B降解效果图；其中横坐标表示时间(单位：s)，纵坐标表示去除率(％)。
图6是本发明ZnO纳米棒阵列/泡沫镍，Pt片阴极构建光催化自偏压系统，在光照条件下分别在搅拌与不搅拌条件下对10mg/l罗丹明B降解效果图；其中横坐标表示时间(单位：s)，纵坐标表示去除率(％)。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1：
光催化压电阳极ZnO纳米棒/FTO制备：将3.5cm×2.5cm大小的FTO玻璃经过异丙醇、乙醇、去离子水中分别超声清洗30min后干燥，配置10mM醋酸锌甲醇溶液，在2000r旋涂3次后350℃焙烧0.5h形成ZnO晶层。配置0.1M硝酸锌和0.1M HMTA混合溶液60ml倒入100ml反应釜中，将负载晶层的FTO玻璃放入反应釜，后放入烘箱中95℃反应6h，最后在马弗炉350℃焙烧0.5h。
压电效应辅助的自偏压污染控制系统运行：在100ml单室反应器中加入含10mg/L罗丹明B模拟废水，ZnO纳米棒/FTO阳极置于反应器一侧，Pt电极作为阴极置于反应器另一侧，外电路连接500Ω电阻，光源采用300W氙灯，光源距离15cm，反应器底端持续曝空气提供充足溶解氧，通过搅拌器控制搅拌速度实现对压电阳极材料的机械作用。反应开始前，曝入空气搅拌，避光吸附30min达到吸附-解吸附平衡，打开氙灯，每隔30min取样一次，紫外可见分光光度计测定在波长554nm处的吸光度值。图1结果表明，对比无光照条件，光催化压电阳极材料在光照下具有明显的光电流值(1.3mA/m2)，光催化作用明显；在相同的条件下，通过控制搅拌速度对电极施加机械力，图2表明随着搅拌速度的增加光电流密度值增加，压电过程促进了电子的转移，同时EIS阻抗谱(图3)随着搅拌速度的增加电阻值减小。此外，对比搅拌与不搅拌条件下，体系的开路电压在搅拌情况下提升(图4)。图5为体系对于染料甲基橙的去除效果，甲基橙3h在压电作用下降解达到91％，提升约10％。
实施例2：
压电光催化阳极ZnO纳米棒/泡沫镍制备：将3.5cm×2.5cm大小的泡沫镍经过异丙醇、乙醇、去离子水中分别超声清洗30min后干燥，配置10mM醋酸锌甲醇溶液，浸渍3次后自然晾干后于马弗炉中250℃焙烧0.5h形成ZnO晶层。配置0.1M硝酸锌和0.1M HMTA溶液60ml放入100ml反应釜中，将负载有晶层的FTO玻璃放入，放入烘箱中95℃反应6h，后放入马弗炉350℃焙烧0.5h。
压电效应辅助的自偏压污染控制系统运行与实施案例1一致，仅光催化阳极替换为ZnO纳米棒/泡沫镍电极。由于泡沫镍的3D孔结构，可加速反应体系中污染物与其表面ZnO纳米棒的接触，促进体系污染物去除效果，降解效果在机械形变(搅拌)作用下，图6对于压电降解甲基橙60min实现99％降解率，对比不搅拌提升约10％。

Claims (2)

1.一种新型压电材料构建的光催化自偏压污染控制系统，其特征在于，所述的光催化自偏压污染控制系统包括单室石英反应装置、机械搅拌装置、曝气装置、压电电极及数据采集系统；
压电电极包括光催化阳极和阴极；光催化阳极为负载压电光催化剂，压电光催化剂为采用申请号201710939796.0中制备的泡沫镍基光催化材料，阴极为与光催化阳极材料费米能级匹配的催化阴极或光催化阴极；光催化阳极与阴极间连接为电阻；
阴极底部设置有曝气装置曝空气；
不同类型的污水置于单室石英反应装置中作为电解液同时被催化降解；
压电电极在机械搅拌装置作用下产生电压：(1)系统在光照条件下，具有光催化效应的压电阳极材料产生电子与空穴，同时压电作用促进电子空穴的分离，促进电子传递，电子通过外电路传递到阴极与阴极产生自偏压，压电与偏压输出产电，而体系中电子和空穴分别进一步反应产生超氧及羟基自由基，实现污染物的降解；(2)系统在无光照条件下，光催化自偏压污染控制系统依靠压电作用输出电能，耦合高级氧化技术实现污染物高效降解；
该光催化自偏压污染控制系统产生的电压由数据采集系统采集。
2.根据权利要求1所述的新型压电材料构建的光催化自偏压污染控制系统，其特征在于，该光催化自偏压污染染控制系统在实际污水处理应用中，在水流落差处实现对压电材料的机械力作用。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113308743A (zh) * 2021-04-29 2021-08-27 北京科技大学 基于单一N掺杂调控4H-SiC纳米结构同时收集机械能和光能用于裂解水的方法
CN114057257A (zh) * 2021-11-18 2022-02-18 河海大学 一种基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置
CN114634242A (zh) * 2022-03-29 2022-06-17 河海大学 一种基于压电催化的水体污染物降解曝气一体化装置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101306851A (zh) * 2008-07-01 2008-11-19 上海大学 基于纳米光催化材料的光声电协同降解有机废水的方法及其装置
CN102820497A (zh) * 2011-06-10 2012-12-12 上海市七宝中学 一种二氧化钛催化的电池、及其制备方法和应用
CN103367759A (zh) * 2013-07-15 2013-10-23 上海交通大学 可见光响应型光催化废水燃料电池及其制备方法和应用
CN105110552A (zh) * 2015-07-22 2015-12-02 北京师范大学 处理难降解有机废水的方法
CN105428663A (zh) * 2015-12-14 2016-03-23 南京工业大学 一种具光催化协同效应微生物燃料电池电极及其制备方法和应用
CN107570174A (zh) * 2017-09-30 2018-01-12 大连理工大学 一种高效稳定泡沫镍基光催化材料的制备方法及应用
CN108275777A (zh) * 2018-03-06 2018-07-13 大连理工大学 一种阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统
CN108479748A (zh) * 2018-02-09 2018-09-04 南方科技大学 有机污染物降解用压电光电子材料及降解方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101306851A (zh) * 2008-07-01 2008-11-19 上海大学 基于纳米光催化材料的光声电协同降解有机废水的方法及其装置
CN102820497A (zh) * 2011-06-10 2012-12-12 上海市七宝中学 一种二氧化钛催化的电池、及其制备方法和应用
CN103367759A (zh) * 2013-07-15 2013-10-23 上海交通大学 可见光响应型光催化废水燃料电池及其制备方法和应用
CN105110552A (zh) * 2015-07-22 2015-12-02 北京师范大学 处理难降解有机废水的方法
CN105428663A (zh) * 2015-12-14 2016-03-23 南京工业大学 一种具光催化协同效应微生物燃料电池电极及其制备方法和应用
CN107570174A (zh) * 2017-09-30 2018-01-12 大连理工大学 一种高效稳定泡沫镍基光催化材料的制备方法及应用
CN108479748A (zh) * 2018-02-09 2018-09-04 南方科技大学 有机污染物降解用压电光电子材料及降解方法
CN108275777A (zh) * 2018-03-06 2018-07-13 大连理工大学 一种阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ARITRA BISWAS 等: "ZnSnO3 Nanoparticle-Based Piezocatalysts for Ultrasound-Assisted Degradation of Organic Pollutants", 《 ACS APPLIED NANO MATERIALS》 *
DEYI HONG 等: "High Piezo-photocatalytic Efficiency of CuS/ZnO Nanowires Using Both Solar and Mechanical Energy for Degrading Organic Dye", 《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》 *
XINYU XUE 等: "Piezo-potential enhanced photocatalytic degradation of organic dye using ZnO nanowires", 《NANO ENERGY》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113308743A (zh) * 2021-04-29 2021-08-27 北京科技大学 基于单一N掺杂调控4H-SiC纳米结构同时收集机械能和光能用于裂解水的方法
CN114057257A (zh) * 2021-11-18 2022-02-18 河海大学 一种基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置
CN114057257B (zh) * 2021-11-18 2022-11-11 河海大学 一种基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置
CN114634242A (zh) * 2022-03-29 2022-06-17 河海大学 一种基于压电催化的水体污染物降解曝气一体化装置

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