CN114146658A - 一种电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器 - Google Patents

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冷浩然
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Abstract

本发明公开了一种电场驱动型Z‑Scheme结构光催化反应器，属于光电催化反应器技术领域；包括反应器壳体、光催化反应组件、供电组件和光源；所述反应器壳体下部设置有进水口和进气口，上部设置有出水口，顶部设置有出气口；本发明基于光电催化体系和Z‑Scheme体系的启示，设计出了一种电场驱动型Z‑Scheme结构光催化反应器，利用该反应器可实现对二氧化碳的高效还原；本发明所提供的电场驱动型Z‑Scheme结构光催化反应器可实现反应器组件的模块化堆叠，同时，光源可进行多种选择，实现在光电催化领域更广泛的应用；该反应器总体结构简单、生产成本低廉，具有很高的实用价值和应用前景，易于推广使用。

Description

一种电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器
技术领域
本发明属于光电催化反应器技术领域，具体涉及一种电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器。
背景技术
研究表明，光催化技术作为一种环境友好型的高级氧化技术，可应用于CO2还原、产H2和固氮等能源转化领域。但传统光催化体系难以实现高效的载流子分离，极大限制了光催化系统的效率。电场驱动型的光催化系统(光电催化)通过施加外部偏置电势，将光生电子迁移至阴极，提升了空穴-电子的分离率，提高了光阳极的催化活性。类比绿色植物的光合作用过程，Z-Scheme体系被广泛的应用于光催化系统之中，Z-Scheme体系通过两种半导体相结合，建立半导体之间电子传递的媒介，实现PSⅠ催化剂导带中的电子与PSⅡ催化剂价带中的空穴相结合，降低了空穴-电子对在各自半导体内部复合的概率，保留PSⅠ催化剂中强氧化性空穴与PSⅡ催化剂中强还原性的电子，能够高效的实现氧化还原反应。但大多数Z型催化剂的结构设计与制备难度较高，且成品多以粉末形式存在，限制了体系的进一步放大应用。
发明内容
为克服现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器，目的在于建立一种电场驱动型Z-Scheme结构光催化还原二氧化碳的反应体系。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供了一种电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器，其特征在于，包括反应器壳体、光催化反应组件、供电组件和光源；所述反应器壳体下部设置有进水口和进气口，上部设置有出水口，顶部设置有出气口。
进一步地，所述光催化反应组件包括光催化阳极和光催化阴极，固定于反应器主体的模块之间。
进一步地，所述光催化阳极和光催化阴极为网状金属；所述光催化阳极和光催化阴极为一组或多组，呈阳极、阴极交错层叠排列。
本发明的反应器可进行模块化堆叠以提高光催化阳极和光催化阴极的层数。
进一步地，所述光催化阳极为n型光催化阳极，所述光催化阴极为p型光催化阴极，所述光催化阳极和光催化阴极均具有光催化反应活性。
更进一步地，所述光催化阳极为Ag掺杂的TiO2纳米管钛网，所述光催化阴极为g-C3N4/Cu2O铜网的复合光阴极；所述光催化阳极和光催化阴极的基底厚度为0.3mm，网孔规格为1mm×2mm拉伸网，可根据使用要求对网孔规格进行改变。
采用固定化的三维网状光催化剂，与二维电极相比，极大地提高了催化剂的比表面积，改善了反应物的传质效率，提高了反应体系的催化效率。三维网状光电催化体系是在网状光电极的基础上，将网状光催化电极组件的阴极和阳极在反应器内以三维空间堆叠的方式交错层叠放置，三维网状光电催化体系因其独特的孔网结构，通过光的透射、反射和散射等作用，极大提高了光辐射利用率，同时光通过网孔可透射至另一侧的太阳能电池板上，并通过导线与阳极阴极催化剂相连接，实现体系内部无外加电源的偏压形成，提高光生电子空穴的分离效率，促进阴极CO2还原反应进行。
进一步地，所述供电组件位于所述反应器壳体的右侧，所述供电组件为太阳能光伏电池，所述供电组件的正极和负极通过导线分别与光催化阳极和光催化阴极相联。
供电组件为光催化阳极和光催化阴极提供偏压。
进一步地，所述光源为UVA-LEDs光源、LED可见光源、UVC-LED光源、氙灯或汞灯，所述光源位于所述反应器壳体的左侧，所述光源和所述反应器壳体之间还设有石英玻璃，所述光源还设置有散热装置，如散热风扇。
光源和散热器通过外部供电电源进行供电，所述光源的供电电源与光源呈电性连接，所述散热风扇的供电电源与散热风扇呈电性连接。
光源固定在密齿型铝基散热器上，并在所述散热器的另一侧安装有散热风扇。
进一步地，所述进气口通过外接气瓶向反应器箱体内鼓送气体；所述进水口连接外置蠕动泵向反应器内输送溶液，可实现间歇流或连续流反应；所述进气口和进水口上均设有止回阀。
进一步地，所述出气口与气相色谱装置相连，可实现气体在线检测或经气体收集袋收集后检测。
进一步地，所述反应器为密闭式，反应模式遵循Z-Scheme反应机理。
本发明还提供了上述反应器在光催化还原CO2中的应用。
本发明同时还提供了上述反应器在催化降解含有罗丹明B的印染废水中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明基于光电催化体系和Z-Scheme体系的启示，设计出了一种电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器。在该体系中，利用固定化的网状光催化剂作为光电阳极与光电阴极，外电路作为电子传输的媒介，并通过反应器内部光照太阳能电池提供光电催化所需偏压，提高光能利用率与实现CO2高效还原。
本发明所提供的电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器可实现反应器组件的模块化堆叠，同时，光源可进行多种选择，实现在光电催化领域更广泛的应用；该反应器总体结构简单、生产成本低廉，具有很高的实用价值和应用前景，易于推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器的结构示意图，其中，1-石英玻璃窗，2-反应器壳体，3-网状光催化阳极，4-UVA-LEDs光源，5-网状光催化阴极，6-太阳能光伏电池板，7-导线，8-进水口，9-进气口，10-出水口，11-出气口；
图2为本发明的电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器的光电催化反应概念图；
图3为本发明实施例1的电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器光催化还原二氧化碳的反应原理示意图。
图4为本发明实施例2的电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器的结构示意图，其中，1-石英玻璃窗，2-反应器壳体，3-网状光催化阳极，4-UVA-LEDs光源，5-网状光催化阴极，6-太阳能光伏电池板，7-导线，8-进水口，9-进气口，10-出水口，11-出气口。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
如图1所示，一种电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器，该光催化反应器包括石英玻璃窗1、反应器壳体2、网状光催化阳极3、网状光催化阴极5、UVA-LEDs光源4和太阳能光伏电池板6；反应器壳体2下部设有进水口8和进气口9，反应器壳体2上部设有出水口10，顶部设有出气口11；网状光催化阳极3与网状光催化阴极5均具有光催化反应活性，网状光催化阴极5在CO2还原反应中起主要作用，太阳能光伏电池板6的正极和负极通过导线7分别与光催化阳极3和光催化阴极5进行连接，提供光电催化反应所需偏压。
网状光催化阳极3与网状光催化阴极5之间为将两个电极隔开的壳体，反应器主体由反应器壳体堆叠而成，壳体四角处设有螺栓口用于固定。
光催化阳极3为n型光催化阳极，具体为Ag掺杂的TiO2纳米管钛网，光催化阴极5为p型光催化阴极，具体为g-C3N4/Cu2O铜网的复合光阴极；光催化阳极3和光催化阴极5的基底厚度为0.3mm，网孔规格为1mm×2mm拉伸网。
UVA-LEDs光源4通过外部供电电源进行供电，UVA-LEDs光源4的供电电源与UVA-LEDs光源呈电性连接，UVA-LEDs光源4固定在密齿型铝基散热器上，并在散热器的另一侧安装有散热风扇，散热风扇的供电电源与散热风扇呈电性连接；进气口9和进水口8上均设有止回阀，出气口11与气相色谱装置相连。
利用上述电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器光催化还原二氧化碳的反应过程为：反应开始前由连接二氧化碳气瓶的进气口9向反应器内泵入二氧化碳气体30min达到饱和，电解质溶液0.1M KHCO3通过蠕动泵由进水口8泵入反应器主体，开始反应后，在UVA-LEDs光源4照射下，网状光催化电极接收到光照，产生电子空穴，光透过网状电极照向太阳能电池板6，太阳能电池板6接收到光照后在网状光催化阳极3和网状光催化阴极5之间施加偏压，在偏压的作用下网状光催化阳极3的电子流向网状光催化阴极5，并于网状光催化阴极5产生的空穴复合，保留了网状光催化阴极5的还原性较强的电子，实现CO2在阴极表面的还原。
验证反应器的可行性，对布置一组阳极、阴极所能接收到的光照强度和太阳能板在光照所产生的偏压进行测试。利用365nm紫外辐照计对电极所在位置辐照强度测试，阴极503mw/cm2，阳极215mw/cm2，在溶液存在的情况下强度略有衰减，阴极450mw/cm2，阳极150mw/cm2。利用万用表对太阳能电池板产生偏压进行测试，光照下太阳能电池板产生的偏压值为0.55V，可以达到光电催化CO2反应发生所需偏压值。
上述光催化反应的概念图如图2所示，反应原理示意图如图3所示。
利用上述反应器进行光催化二氧化碳还原，2h的反应时间内甲醇产率达0.17mmol/L(反应后溶液中甲醇的浓度)。
实施例2
一种电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器，同实施例1，区别在于，网状光催化阳极和网状光催化阴极设置为2组，阳极、阴极交错层叠排列：即保持左侧石英玻璃窗与右侧太阳能板位置不变，如图4所示，在反应器内通过“阴极-模块-阳极”的反复组合，实现多组电极多模块化反应器的构成。
利用上述反应器进行光催化二氧化碳还原，2h的反应时间内甲醇产率达0.30mmol/L。
对比例1
一种电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器，同实施例1，区别在于，将实施例1中的网状光催化阳极3和网状光催化阴极5替换为二维板状电极。板状电极不具有透光性，光源无法透过催化剂至内侧催化剂，且太阳能电池板无法接收到光照而产生偏压，故无法实现模块化的光催化CO2还原。
实施例3
一种电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器，同实施例1，区别在于，将实施例1中的UVA-LEDs光源替换为LED可见光源。
利用上述电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器光催化降解含有罗丹明B的印染废水的反应过程为：反应开始前将罗丹明B含量为5mg/L的废水和电解质溶液0.1M Na2SO4通过蠕动泵由进水口8泵入反应器主体，进行30min的暗吸附达到吸附解析平衡，开始反应后，在430nm可见LED光源4照射下，N-TiO2网状光催化电极接收到光照，产生电子空穴，光透过网状电极照向太阳能电池板6，太阳能电池板6接收到光照后在网状光催化阳极3和网状光催化阴极5之间施加偏压，在偏压的作用下网状光催化阳极3的电子流向网状光催化阴极5，并于网状光催化阴极5产生的空穴复合，保留了网状光催化阴极5的还原性较强的电子，在阳极生成·OH及阴极生成·O2-，实现对污染物罗丹明B的高效降解，罗丹明B的浓度通过552nm下紫外可见分光光度计测试。
利用本实施例的反应器在90min内对废水中的罗丹明B的降解率为95.5％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器，其特征在于，包括反应器壳体、光催化反应组件、供电组件和光源；所述反应器壳体下部设置有进水口和进气口，上部设置有出水口，顶部设置有出气口。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述光催化反应组件包括光催化阳极和光催化阴极。
3.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述光催化阳极和光催化阴极为网状金属；所述光催化阳极和光催化阴极为一组或多组，呈阳极、阴极交错层叠排列。
4.根据权利要求3所述的反应器，其特征在于，所述供电组件位于所述反应器壳体的右侧，所述供电组件为太阳能光伏电池，所述供电组件的正极和负极通过导线分别与光催化阳极和光催化阴极相联。
5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述光源为UVA-LEDs光源、LED可见光源、UVC-LED光源、氙灯或汞灯，所述光源位于所述反应器壳体的左侧，所述光源和所述反应器壳体之间还设有石英玻璃，所述光源还设置有散热装置。
6.根据权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述进气口通过外接气瓶向反应器箱体内鼓送气体；所述进水口连接外置蠕动泵向反应器内输送溶液；所述进气口和进水口上均设有止回阀。
7.权利要求1～6任一项所述的反应器在光催化还原CO2中的应用。
8.权利要求1～6任一项所述的反应器在催化降解含有罗丹明B的印染废水中的应用。
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