一种产电与降解污染物的非光催化与光催化燃料电池系统

摘要

一种产电与降解污染物的非光催化与光催化燃料电池系统，属于废水处理与能源回收利用技术领域。其特征是在无需外加光照的条件下以及有外加光照的条件下，应用非光催化和光催化作用，阳极与电催化阴极耦合，处理有机废水、同时产生电能；无光照时，阳极催化剂与吸附在其表面的H2O或OH-反应生成·OH，与氧气反应生成·O2-，·OH与·O2-为强氧化剂，降解水中的有机污染物；碳纤维布上负载TiO2/g-C3N4作阳极，原位生长铂纳米线作电催化阴极；阳极室加入NaOH,阴极室加入H2SO4时，提高RhB去除率和产电量。本发明的效果和益处是同一催化剂体系具有无光催化作用和光催化作用，构成燃料电池系统，在高效处理有机染料废水的同时实现电能输出，达到能源回收利用的目标，且无需光照。

权利要求

1.一种产电与降解污染物的非光催化与光催化燃料电池系统，在无外加光照的条件下，阳极发生无光催化作用以及在光照条件下发生光催化作用，与电催化阴极组合，在无光或者有光条件下均可处理有机废水并产生电能，其特征在于，a)TiO2/g-C3N4催化剂通过溶胶凝胶方法负载于碳纤维布上作为阳极，碳纤维布上原位生长的铂纳米线作为电催化阴极，阳极与阴极相连接，分别置于两室内；

b)阳极在无需光照条件下，负载于碳纤维布上的光催化剂与吸附在其表面的H2O或OH-反应生成·OH，与氧气反应生成·O2-，·OH与·O2-为强氧化剂，氧化降解水中的有机污染物；无光时，连接阳极和阴极也产生电流、降解污染物；

在有光照条件下，阳极光催化产生电子直接通过外电路传导至阴极，产生电能的同时减少空穴和电子对之间的复合。

2.根据权利要求1所述的一种产电与降解污染物的非光催化与光催化燃料电池系统，-1 -1双室燃料电池系统中，阳极室内加入0.5mol·L NaOH,阴极室内加入0.5mol·L H2SO4。

说明书

一种产电与降解污染物的非光催化与光催化燃料电池系统

技术领域

[0001] 本发明属于环境保护和污染控制技术领域，涉及在有光与无光照的条件下,应用无光催化电池系统和光催化耦合电池系统，在处理难降解污染物及有机废水的同时产生电能，并且在闭合电池系统中污染物降解率更高。

背景技术

[0002] 水是生命之源，水资源是不可替代的自然资源之一，水污染日益加重和水资源短缺，是世界性的首要环境治理难题。人工强化水的净化和处理需要消耗能源，而去除难降解污染物的经典高级氧化法，吨水处理能耗成本较高，是水环境保护的制约因素。能源是人类生活和发展的物质基础，随着人口增长，世界能源供应日益紧张。从废物中提取能源和开发利用新能源，已成为世界各国研究的焦点。需要开发既可以治理环境污染，又可以节能和回收能源的废水处理新技术。

[0003] 光催化燃料电池是一种新型的光电催化耦合系统，利用光催化分解污水中的有机物净化废水，产生电能，同时解决空穴和电子对之间复合的问题。因其具有高效、无污染等优点而被广泛研究。当具有大于光催化剂禁带带隙能的光照射时，价带上的电子会跃迁到导带上，从而形成空穴/电子对，激发电子与氧气形成超氧自由基，而所产生的空穴h+与吸附在光催化剂表面的H2O或OH-反应生成·OH，·OH为强氧化剂，氧化降解水中的有机污染物；产生的空穴也具有强氧化性，能够直接氧化水中有机物[Kang I C，Zhang Qiwu，Yin Shu，et al.Improvement in photocatalytic activity of TiO2under visible irradiation through addition of N-TiO2[J].Environmental Science&Technology，2008，42(10)：3622-3626.]。光照作为光催化燃料电池的重要组成部分,增加了运行成本与能耗。因此,研究光照与否具有很重要的意义；所查研究报道中，所有光催化降解污染物均在紫外或者可见光条件下进行，没有对光催化剂系统体系，在黑暗条件下是否产生·OH及产生电能进行研究，以及对该产电系统是否提高了处理污染物的效率进行研究。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种在有光照与无光照条件下均可降解有机污染物并产电的光催化燃料电池系统，解决了传统光催化必须光照的问题，以及光催化电池系统，无光照不产电的问题。

[0005] 本发明的技术方案是：

[0006] 1.设计反应器构型：反应器分为阳极室与阴极室，两室内设置卡槽，两电极分别放入其中，两室底部均设置曝气头，阳离子交换膜夹于两室中间，将两室溶液分开，同时促进质子传递，加快两极反应速率；

[0007] 2.阳极催化剂负载：碳纤维布使用无水乙醇浸泡后烘干备用，钛酸四丁酯与乙醇混合，磁力搅拌的条件下加入盐酸与去离子水，加入g-C3N4，充分搅拌均匀至溶液呈淡黄色；浸入碳纤维布，烘干，反复浸泡烘干后，将以上碳纤维布高温煅烧；

[0008] 3.阴极催化剂：制作原位生长Pt纳米线阴极方法如下，乙醇浸泡碳纤维24h,60℃烘干备用，将17mg H2PtCl6·6H2O与0.53mL甲酸，加入含有10.6ml超纯水的玻璃皿中，浸入碳纤维布(催化剂负载量0.4mg·cm-2)，40℃，16h，至溶液变为无色，40℃，6h烘干；

[0009] 4.阳极室内液体为10mg·L-1RhB,0.5mol·L-1Na2SO4,0.5mol·L-1NaOH 350mL；

[0010] 5.阴极室内液体为10mg·L-1RhB,0.5mol·L-1Na2SO4,0.5mol·L-1H2SO4250mL；

[0011] 6.光催化燃料电池系统：阳极、阴极为2、3中所述，当具有大于阳极光催化剂禁带带隙能的光照射时，价带上的电子跃迁至导带，从而形成空穴/电子对，所产生的h+与吸附- - -在半导体表面的H2O或OH反应生成·OH，与O2反应生成·O2 ，·OH与·O2为强氧化剂，氧化降解水中的有机污染物；产生的空穴也具有强氧化性，能够直接氧化水中有机物；阳极光催化产生电子直接通过外电路传导至阴极，产生电能的同时减少空穴和电子对之间的复合，提高光催化降解效率；

[0012] 7.非光催化燃料电池系统：在无需外加光照条件下，反应器置于黑暗不透光箱体中，负载光催化剂阳极TiO2/g-C3N4与水和NaOH反应生成·OH，与氧气反应生成·O2-，氧化降解水中的有机污染物产生电子；电子通过外电路到达阴极，与阴极室内氧气反应，促进光生电子与空穴分离，增加有机物去除率产生电能；

[0013] 本发明的效果和益处是在无需外加光照与电源的条件下，利用光催化燃料电池系统降解难降解有机污染物净化废水，同时产生电能，达到能源回收利用的目标，且负载催化剂阴极与阳极的制作方法简单易行。

附图说明

[0014] 附图1是在不光照、有酸碱存在条件下的电势图。

[0015] 图中：横坐标表示时间，单位min，纵坐标表示电压，单位v；正方形、圆点、三角形分别代表阳极电势、阴极电势、电池电压；阳极加入NaOH，提供OH-，阴极加入硫酸，加快阴极消耗电子速率。

[0016] 附图2是无酸碱条件下的电势图。

[0017] 图中：横坐标表示时间，单位min，纵坐标表示电池电压，单位v；反应初期阴阳极均曝气，阳极20w紫外灯光照，电池电压逐渐上升至0.375v稳定；120min后阳极停止曝气停止光照，阴极停止曝气。

[0018] 附图3是不光照不曝气条件下的电势图。

[0019] 图中：横坐标表示时间，单位min，纵坐标表示电池电压，单位v；整个反应过程中，阳极不曝气、不光照，阴极不曝气。

[0020] 附图4是20mg·L-1RhB、无酸碱条件下的电势图。

[0021] 图4横坐标表示时间，单位min，纵坐标表示电压，单位v；从上至下三条曲线分别代表阴极电势、电池电压、阳极电势；反应初期阴阳极均曝气，阳极20w紫外灯光照，电池电压逐渐上升至0.30v趋于稳定；120min后阳极停止曝气、停止光照，阴极停止曝气。

具体实施方式

[0022] 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。

[0023] 实施例1

[0024] 阳极制作：27ml钛酸四丁酯与23ml乙醇混合，磁力搅拌10min；加入3.3ml HCl,2.7ml去离子水；加入适量g-C3N4，搅拌均匀，浸入20*5cm2碳纤维布，105℃烘干，反复5次后，
5℃·min-1,450℃,煅烧2h。

[0025] 阴极为原位生长Pt纳米线碳纤维布，两极分别与数据采集卡连接，记录阳极电势与电池电势，阳极室内液体为10mg·L-1RhB,0.5mol·L-1Na2SO4,0.5mol·L-1NaOH 350mL；阴极室内液体为10mg·L-1RhB,0.5mol·L-1Na2SO4,0.5mol·L-1H2SO4250mL；阴阳两极中间放置阳离子交换膜，阳极无需光照，两室内均曝气，电池电势由0.65v慢慢下降，稳定于0.5v，如图一所示；阴、阳两极室内去除率分别为88％，14.49％。

[0026] 实施例2

[0027] 与实例一使用同一个阴、阳极，阴极室内液体为350mL，10mg·L-1RhB，阳两极室内液体均为250mL，10mg·L-1RhB；两室反应过程中均曝气，阳极紫外灯光照(电池电势0.375v)2h后，停止光照与曝气，反应器电池电势虽有所降低，但降解RhB的同时仍然产生电量(0.31v)，如图二；阳、阴极室内RhB去除率分别为72％和16％。

[0028] 实施例3

[0029] 与实例一使用同一个阴、阳极，阴阳两极室内液体与实例2相同，两室反应过程中不光照、不曝气，反应器电池电势维持在0.212v，如图三；阳、阴极室内RhB去除率分别为65％和12％

[0030] 实施例4

[0031] 与实例一同一个阴、阳极，阴极室内液体为350mL，20mg·L-1RhB，阳两极室内液体均为250mL，20mg·L-1RhB；两室反应过程中均曝气，阳极紫外灯光照(电池电势0.30v)2h后，停止光照与曝气，反应器电池电势虽有所降低，但降解RhB的同时仍然产生电量(0.20v)，如图四；阴阳两极初始溶液电导率为501μs·cm-1，反应过程中，两室电导率均下降；阴、阳极室内RhB去除率分别为76.7％和7.4％。