二氧化钛纳米棒阵列光电极的制备及其在光催化燃料电池中的应用
发布时间：2021-11-08 18:51
环境污染和能源危机是人类社会发展面临的两大难题,尤其是工业化发展和城市化进程中产生的各种废水排放到自然水体中,严重破坏了生态系统的平衡、影响了人们的身体健康,也制约了经济的可持续发展。重要的是,废水中的有机化合物储存了大量的化学能,造成了能源的浪费。废水资源化技术是现阶段水污染治理研究的热点和难点,是解决环境问题和缓解能源危机最有效的方法之一。随着半导体技术的快速发展,基于半导体为光催化材料的光催化燃料电池（Photacatalytic Fuel Cells,PFC）在环境治理和绿色能源的开发等方面利用越来越广泛。但是现有的PFC仍然存在几个关键性问题,包括高效地光阳极的设计与制备,体系的优化设计等。本文基于光催化技术和光伏技术,提出了自驱动的可见光响应的PFC体系用于降解有机物同时对外发电产氢。利用二氧化钛纳米棒阵列（TiO2 nanorod,TNR）光催化材料为基础进行掺杂改性,降低了光生电子和空穴的复合率。通过优选地改性的TNR和硅太阳能电池片（Silicon solar cell,SC）串联的光阳极和铂阴极成功地构建了PFC体系,并对其性能进行研究同时考察...
【文章来源】：广州大学广东省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化燃料电池工作原理示意图[20]
绪论13传统的PFC主要以半导体金属氧化物光阳极、阴极、外电路和电解槽组成。到目前为止，已经开发了单光电极结构，双光电极结构和复合结构的PFC体系。（1）单光电极结构早期研究的PFC体系主要由光阳极和铂电极组成，只有光阳极可以被光激发产生e--+对。基于不同材料的光阳极，研究者们开发了多种不同单光电极结构的PFC体系。最早由Kaneko等人[17,41]利用多孔结构的纳米TiO2作为光阳极，铂电极为阴极构建了PFC体系。探究了体系对废弃物、生物质及其衍生物，例如氨、甲酸、尿素和氨基酸等的降解能力和产电性能。实验结果证明了体系对多种废弃物以及各种生物质材料都可以实现降解同时对外发电。其中以人类尿液作为底物时，体系在AM1.5模拟太阳光照射下产生的Voc为0.56V，Jsc为0.086mAcm-2，填充因子为0.50。后来Wang等[42]人进一步以负载纳米颗粒Ag/AgCl后的TiO2电极作为光阳极，铂电极作为阴极，构建了一种可见光响应的PFC体系。如图1-2所示，以含有金属离子和有机物的模拟生活废水为目标污染物，在可见光的照射下，废水中总有机碳、Cu2+可以完全被去除，总氮的去除率也可以达到70%以上，同时体系的光电转化效率为3.09%。为了进一步优化PFC体系的性能，强化自由基的产生，Hu等[43]人结合电芬顿技术以富含氧空位的RGO/BiO1-xI为光阳极，N掺杂的生物质碳（BNC）为阴极构建了可见光驱动的PFC体系用于降解有机物同时产电。实验结果表明，以甲酸作为燃料，体系中添加了Fe盐之后在可见光照射下4h内对甲酸的去除率为68.2%，同时产生的光电流和最大功率分别为133.18μAcm-2和1750μWcm-2。图1-2光催化燃料电池原理图Fig.1-2Schematicdiagramofthephtotcatalyticfuelcell（2）双光电极结构
时发电的PFC体系。我们创造性地使用了钛网基底制备出具有三维结构的TiO2纳米线阵列光阳极，结合廉价的N修饰的石墨毡为阴极和尼龙网建立了光催化燃料电池单元（PC），然后将不同数量的PC串联起来用于降解有机物发电。在LED光源的照射下，以10mgL-1的甲基橙（MO）作为目标污染物时，利用9个串联的PC单元系统，MO可以在40min内完全去除，同时测得的Voc为12.5V,Jsc为15.2mA。由于电极材料的可透过性，明显改善了体系的传质，从而极大地提高了光催化处理废水的效率，同时提升了光照条件下化学能转化为电能的能力。图1-3复合PFC体系的工作原理图[45]Fig.1-3SchematicdiagramoftheworkingprincipleofthecompositePFCsystem.1.2.4光阳极材料光阳极材料是PFC体系的核心组成部分，对其工作效率起着关键性的作用。光阳极在光的激发下产生e--+对，+氧化降解体系中的有机污染物，e-对则通过外电路的形式转移到阴极发生还原反应。在整个光催化过程中，输入的能量为太阳能，产出为电能和氢能，从而实现污水的资源化利用。前人报道的大量研究表明，PFC体系的性能受很多种因素的影响，从它的基本机理出发，主要影响因素在光阳极材料的选择上。TiO2是第一个被用于光阳极的光催化材料，有合适的能带间隙、良好的机械稳定和光催化稳定性，地球上储量丰富且具有很好的光催化活性[47~49]，至今仍然是研究最为广泛的光阳极材料之一。近年来，研究者们开发了很多不同形式的TiO2薄膜被用作PFC的光阳极，例如
【参考文献】：
期刊论文
[1]半导体光催化剂的研究进展[J]. 贺国锋,张倩,王娟,张雪江,刘晨辉,陈璐璐. 山西化工. 2016(01)
[2]Ag/TiO2-xNx纳米管的光电催化性能[J]. 万斌,陈鸣波,周细应,王伟,李文戈. 无机材料学报. 2010(03)
[3]半导体光催化技术研究进展[J]. 申玉芳,龙飞,邹正光. 材料导报. 2006(06)
硕士论文
[1]异质结光电极的制备及其在光催化废水燃料电池中的应用[D]. 王芮.上海交通大学 2017
本文编号：3484029
【文章来源】：广州大学广东省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化燃料电池工作原理示意图[20]
绪论13传统的PFC主要以半导体金属氧化物光阳极、阴极、外电路和电解槽组成。到目前为止，已经开发了单光电极结构，双光电极结构和复合结构的PFC体系。（1）单光电极结构早期研究的PFC体系主要由光阳极和铂电极组成，只有光阳极可以被光激发产生e--+对。基于不同材料的光阳极，研究者们开发了多种不同单光电极结构的PFC体系。最早由Kaneko等人[17,41]利用多孔结构的纳米TiO2作为光阳极，铂电极为阴极构建了PFC体系。探究了体系对废弃物、生物质及其衍生物，例如氨、甲酸、尿素和氨基酸等的降解能力和产电性能。实验结果证明了体系对多种废弃物以及各种生物质材料都可以实现降解同时对外发电。其中以人类尿液作为底物时，体系在AM1.5模拟太阳光照射下产生的Voc为0.56V，Jsc为0.086mAcm-2，填充因子为0.50。后来Wang等[42]人进一步以负载纳米颗粒Ag/AgCl后的TiO2电极作为光阳极，铂电极作为阴极，构建了一种可见光响应的PFC体系。如图1-2所示，以含有金属离子和有机物的模拟生活废水为目标污染物，在可见光的照射下，废水中总有机碳、Cu2+可以完全被去除，总氮的去除率也可以达到70%以上，同时体系的光电转化效率为3.09%。为了进一步优化PFC体系的性能，强化自由基的产生，Hu等[43]人结合电芬顿技术以富含氧空位的RGO/BiO1-xI为光阳极，N掺杂的生物质碳（BNC）为阴极构建了可见光驱动的PFC体系用于降解有机物同时产电。实验结果表明，以甲酸作为燃料，体系中添加了Fe盐之后在可见光照射下4h内对甲酸的去除率为68.2%，同时产生的光电流和最大功率分别为133.18μAcm-2和1750μWcm-2。图1-2光催化燃料电池原理图Fig.1-2Schematicdiagramofthephtotcatalyticfuelcell（2）双光电极结构
时发电的PFC体系。我们创造性地使用了钛网基底制备出具有三维结构的TiO2纳米线阵列光阳极，结合廉价的N修饰的石墨毡为阴极和尼龙网建立了光催化燃料电池单元（PC），然后将不同数量的PC串联起来用于降解有机物发电。在LED光源的照射下，以10mgL-1的甲基橙（MO）作为目标污染物时，利用9个串联的PC单元系统，MO可以在40min内完全去除，同时测得的Voc为12.5V,Jsc为15.2mA。由于电极材料的可透过性，明显改善了体系的传质，从而极大地提高了光催化处理废水的效率，同时提升了光照条件下化学能转化为电能的能力。图1-3复合PFC体系的工作原理图[45]Fig.1-3SchematicdiagramoftheworkingprincipleofthecompositePFCsystem.1.2.4光阳极材料光阳极材料是PFC体系的核心组成部分，对其工作效率起着关键性的作用。光阳极在光的激发下产生e--+对，+氧化降解体系中的有机污染物，e-对则通过外电路的形式转移到阴极发生还原反应。在整个光催化过程中，输入的能量为太阳能，产出为电能和氢能，从而实现污水的资源化利用。前人报道的大量研究表明，PFC体系的性能受很多种因素的影响，从它的基本机理出发，主要影响因素在光阳极材料的选择上。TiO2是第一个被用于光阳极的光催化材料，有合适的能带间隙、良好的机械稳定和光催化稳定性，地球上储量丰富且具有很好的光催化活性[47~49]，至今仍然是研究最为广泛的光阳极材料之一。近年来，研究者们开发了很多不同形式的TiO2薄膜被用作PFC的光阳极，例如
【参考文献】：
期刊论文
[1]半导体光催化剂的研究进展[J]. 贺国锋,张倩,王娟,张雪江,刘晨辉,陈璐璐. 山西化工. 2016(01)
[2]Ag/TiO2-xNx纳米管的光电催化性能[J]. 万斌,陈鸣波,周细应,王伟,李文戈. 无机材料学报. 2010(03)
[3]半导体光催化技术研究进展[J]. 申玉芳,龙飞,邹正光. 材料导报. 2006(06)
硕士论文
[1]异质结光电极的制备及其在光催化废水燃料电池中的应用[D]. 王芮.上海交通大学 2017
本文编号：3484029
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