双极可见光响应型光催化废水燃料电池的研究

发布时间：2018-03-27 21:04

本文选题：光催化废水燃料电池　切入点：WO3/W光阳极　出处：《上海交通大学》2014年博士论文

【摘要】：废水资源化是现阶段水污染治理研究的重点与难点。开发有效的污染物降解工艺并同时回收其中蕴含丰富的化学能是实现废水资源化的有效途径。微生物燃料电池是目前报道较多的废水资源化技术，但仍然受限于低效率，工艺复杂等缺陷。本文基于费米能级匹配的原理，提出了使用光阳极与光阴极构建双极可见光响应型光催化废水燃料电池的新思路。论文首先提出了一种制备可见光响应的钨基三氧化钨（WO3/W）光阳极的新方法，在此基础上，通过优选与WO3/W光阳极能级匹配的可见光响应型光阴极—Cu2O/Cu光阴极、Pt修饰Si太阳能电池片（Pt/PVC）光阴极，成功地构建了双极可见光响应型光催化电池体系，在实现有机污染物降解的同时，回收有机污染物的化学能，同时还可用于光催化自发分解水产氢。金属钨基三氧化钨（WO3/W）纳米阵列有序结构光阳极材料的制备。以金属钨片为基底材料，将金属钨片经氧化预处理后在表面生成WO3薄层，作为水热反应的晶种，通过水热反应制备金属钨基WO3纳米阵列结构光阳极材料。水热反应体系中，以PEG（PEG）作为导向剂，以酸化的Na2WO4溶液为水热反应液.，通过水热反应时间的控制可以分别得到具有纳米条阵列、纳米片阵列和纳米块结构的WO3/W光阳极。在水热反应过程中，PEG导向的机制是通过长链PEG大分子在WO3晶体的溶胶表面吸附，控制晶体生长的各向同性，使得晶体生长整齐有序。由于晶种是通过金属钨氧化形成的，因此晶种与金属钨基底以及有序生长的晶体之间保持了自然均质化的结合，并能表现出优异的稳定性和光电性能。由此制备的WO3/W光阳极材料禁带宽度为2.6eV，能够吸收波长为480nm的可见光，中性溶液中光电流密度可达2.35mA/cm2，表现出良好的分解水制氢与降解有机污染物的性能。双极可见光响应型光催化废水燃料电池—WO3/W-Cu2O/Cu电池的设计与应用。基于n型半导体WO3的费米能级高于p型半导体Cu2O的特点，以可见光响应型WO3/W为光阳极，以可见光响应型Cu2O为光阴极，构建了双极均可进行可见光响应的光催化废水燃料电池，该电池在可见光光照的条件下，WO3/W光阳极的电势高于Cu2O/Cu光阴极的电势，从而形成电势差自发地驱动WO3/W光阳极的光生电子转移至Cu2O/Cu光阴极，在外电路形成电流的同时分离出WO3/W光阳极强氧化性的空穴，同时实现降解有机物和对外发电。该体系的短路电流可达205μA/cm2，能够实现对有机污染物尤其是难降解有机污染物包括苯酚、罗丹明B和刚果红的处理。双极可见光响应型光催化电化学池—WO3/W-Pt/PVC电化学池自发分解水产氢性能研究。为了克服光阴极Cu2O/Cu稳定性差的问题，基于商品化Si电池片良好的稳定性和较高的光电活性，经过处理与修饰，设计了性能更为优异的且稳定的Pt/PVC光阴极，能够满足长时间稳定运行的要求。利用Pt/PVC光阴极与WO3/W光阳极费米能级匹配的特点，构建了可以进行光催化自发分解水产氢的电化学池，产氢速率可达0.204μmol/hcm2。双极可见光响应型光催化废水燃料电池—曝气WO3/W-Pt/PVC电池降解有机物与发电研究。将双极可见光响应型光催化电化学池—WO3/W-Pt/PVC电化学池应用于废水处理和发电，，并由此构建了双极可见光响应型曝气WO3/W-Pt/PVC光催化废水燃料电池。研究表明，通过曝气，能够改变Pt/PVC光阴极光生电子的消耗方式，使得Pt/PVC光阴极的电极反应由还原H+析出H2转变为还原O2生成H2O，由此在Pt/PVC光阴极表面分离出更多的光生空穴用于吸引WO3/W光阳极的光生电子。这一效果有助于WO3/W光阳极表面分离出更多的活性光生空穴用于有机物降解。结果表明WO3/W-Pt/PVC电池的短路电流稳定在350μA/cm2，较WO3/W-Cu2O/Cu电池体系提高了70%，有机物降解试验表明经过90min后，浓度为5mg/L的亚甲基蓝的降解效率达到100%，且整个过程中体系的电流密度能够保持稳定。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703;TM911.45

【参考文献】