一种电催化剂氧化镍构筑光助燃料电池的方法及其在污染物双酚A降解中的应用

摘要

本发明属于环境催化的技术领域，公开了一种电催化剂氧化镍构筑光助燃料电池的方法及其在污染物双酚A降解中的应用。本发明以CdS/TiO2/ITO修饰铟锡氧化物作阳极，NiOx/ITO作阴极，通过构筑双酚A‑次氯酸钠燃料电池，实现双酚A(BPA)的催化降解，同时实现光能和化学能转化为电能，提高电池的性能。本发明的一种电催化剂氧化镍构筑光助燃料电池及其在环境污染物降解中的应用不仅具有操作简单、环保安全，且电池在可见光驱动下实现双酚A降解转化为CO2。

权利要求

1.一种电催化剂氧化镍构筑光助燃料电池的方法，其特征在于包括以下步骤：

以CdS/TiO2/ITO电极作阳极，NiOx/ITO电极作阴极；在阳极池中加入浓度0.1mol/L的硫酸钠溶液作为电解质溶液，加入浓度为0.05～3mmol/L的双酚A溶液作为燃料，调节pH为3.0～13.0；在阴极池中加入0.1mol/L的硫酸钠溶液，并加入0.05～5mol/L的次氯酸钠溶液，调节pH为9.0～13.0；两池之间用饱和氯化钾盐桥连接，在可见光照射下构建形成光助燃料电池；

所述NiOx/ITO电极是按照以下步骤制备得到：以水为溶剂，以镍盐为主要成分，制备浓度为0.001～1mol/L的电沉积溶液；其中添加了浓度为0.1～5mol/L的钠盐作为支持电解质；用氢氧化钠溶液调节pH为3.0～7.0，调控电沉积溶液温度为15～55℃；以ITO电极作阳极，以铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，分别与电化学工作站的3个电极接头连接，控制NiOx沉积的电位区间为1.3V～-1.3V及沉积圈数10～100圈，然后将此电极浸泡在去离子水中20～30min，放入烘箱中在35～45℃条件下恒温干燥得到NiOx/ITO电极。

2.根据权利要求1所述的一种电催化剂氧化镍构筑光助燃料电池的方法，其特征在于：

所述CdS/TiO2/ITO电极按照以下步骤制备得到：称取30mg TiO2在2mL乙醇中超声分散一小时，取1mL分散液用提拉法得到TiO2/ITO电极，放入烘箱中在35～45℃条件下恒温干燥；将干燥好的TiO2/ITO电极作为阳极，Pt作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，构建三电极体系，在pH＝2.0的0.01mol/L CdCl2+0.1mol/L Na2S2O3溶液下，在-0.3V～-0.9V的电位区间下沉积100圈，然后将此电极浸泡在去离子水中20～30min，放入烘箱中在35～45℃条件下恒温干燥得到CdS/TiO2/ITO电极。

3.一种由权利要求1-2任一项所述的方法制备的光助燃料电池。

4.根据权利要求3所述的光助燃料电池在污染物双酚A降解中的应用，其特征在于：所述应用按照以下步骤：用恒温水浴保持光助燃料电池中的溶液温度为25℃，利用可见光驱动燃料电池光电催化降解双酚A转化为CO2。

说明书

一种电催化剂氧化镍构筑光助燃料电池的方法及其在污染物

双酚A降解中的应用

技术领域

[0001] 本发明属于环境催化的技术领域，具体涉及一种电催化剂氧化镍构筑光助燃料电池的方法及其在污染物双酚A降解中的应用。

背景技术

[0002] 能源和环境是21世纪人类讨论的两大热点话题。随着工业化进程加快，污染物的排放增加，环境污染严重。双酚A是常见的有机污染物，同时也是环境中的雌激素，对人体和动物体内的内分泌系统损害大，如何高效去除环境中双酚A的含量成为研究热点。目前催化降解双酚A的方法主要有电催化、光催化和光电催化，其中光电催化降解双酚A被认为是最有前景的方法之一。因此，我们希望可以利用光助燃料电池在可见光驱动下光电催化降解双酚A，将其转化为无害的CO2。

[0003] 氧化镍由于其原子间计量比变化多样具有丰富的理化性质，广泛应用于太阳能电池，光催化，超级电容器等领域。NiOx是一种良好的电催化剂，因其具有良好的空穴传输性，作为阴极，能显著提高光助燃料电池的电压，从而实现无需外加电场就能实现污染物的光电催化降解。其制备方法主要有电化学沉积法、微波分解法、磁控溅射法、湿化学方法、静电纺丝法、溶胶凝胶法等，其中湿化学方法、溶胶凝胶法通常需先制备前驱物质，通过焙烧得到镍的氧化物，制备方法流程繁琐，且得到的材料颗粒较大；虽然化学气相沉积法、磁控溅射法、静电纺丝法可以实现氧化镍在导电基体上的沉积，但这些方法操作复杂，需要专用的仪器设备，成本大。

[0004] 电化学沉积法由于其操作简便、可控、耗能小，且沉积的材料具有附着力强、不易脱落、分布均匀、厚度可控等优点，可实现氧化镍纳米薄膜的沉积；

[0005] 因此希望发展一种简单调控电位实现纳米氧化镍薄膜的制备并将其作为光助燃料电池的阴极增强双酚A的降解转化为CO2，实现污染物的去除。

发明内容

[0006] 为了解决现有技术的缺点和不足之处，发明的首要目的在于提供一种电催化剂氧化镍构筑光助燃料电池的方法。

[0007] 本发明的另一目的在于提供一种由上述方法制备的光助燃料电池。

[0008] 本发明的再一目的在于提供一种上述光助燃料电池在污染物双酚A降解中的应用。

[0009] 本发明的目的通过以下技术方案实现：

[0010] 一种电催化剂氧化镍构筑光助燃料电池的方法，包括以下步骤：

[0011] 以CdS/TiO2/ITO电极作阳极，NiOx/ITO电极作阴极；在阳极池中加入浓度0.1mol/L的硫酸钠溶液作为电解质溶液，加入浓度为0.05～3mmol/L的双酚A溶液作为燃料，调节pH为3.0～13.0；在阴极池中加入0.1mol/L的硫酸钠溶液，并加入0.05～5mol/L的次氯酸钠溶液，调节pH为9.0～13.0；两池之间用饱和氯化钾盐桥连接，在可见光照射下构建形成光助燃料电池。

[0012] 所述CdS/TiO2/ITO电极按照以下步骤制备得到：称取30mg TiO2在2mL 乙醇中超声分散一小时，取1mL分散液用提拉法得到TiO2/ITO电极，放入烘箱中在35～45℃条件下恒温干燥；将干燥好的TiO2/ITO电极作为阳极，Pt作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，构建三电极体系，在pH＝2.0的 0.01mol/L CdCl2+0.1mol/L Na2S2O3溶液下，在-0.3V～-0.9V的电位区间下沉积 100圈，然后将此电极浸泡在去离子水中20～30min，放入烘箱中在35～45℃条件下恒温干燥得到CdS/TiO2/ITO电极。

[0013] 所述NiOx/ITO电极是按照以下步骤制备得到：以水为溶剂，以镍盐为主要成分，制备浓度为0.001～1mol/L的电沉积溶液；其中添加了浓度为 0.1～5mol/L的钠盐作为支持电解质；用氢氧化钠溶液调节pH为3.0～7.0，调控电沉积溶液温度为15～55℃；以ITO电极作阳极，以铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，分别与电化学工作站的3个电极接头连接，控制NiOx沉积的电位区间为1.3V～-1.3V及沉积圈数10～100圈，然后将此电极浸泡在去离子水中20～30min，放入烘箱中在35～45℃条件下恒温干燥得到NiOx/ITO电极。

[0014] 一种由上述的方法制备的光助燃料电池。

[0015] 上述的光助燃料电池在污染物双酚A降解中的应用，所述应用按照以下步骤：用恒温水浴保持光助燃料电池中的溶液温度为25℃，利用可见光驱动燃料电池光电催化降解双酚A转化为CO2。

[0016] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：

[0017] (1)本发明涉及的一种电催化剂氧化镍，其制备方法简单快捷，材料结构性质稳定；

[0018] (2)本发明涉及的光助燃料电池及其在污染物双酚A降解中的应用，能实现无需外加电压下催化降解双酚A转化为CO2；

[0019] (3)本发明涉及的光助燃料电池实现了光能和化学能向电能的转化。

附图说明

[0020] 图1是本发明实施例3中一种电催化剂氧化镍合成曲线构筑光助燃料电池电流功率随电压变化的曲线；

[0021] 图2是本发明实施例1中以0.0V～-1.3V区间电沉积制备的阴极电催化剂 NiOx/ITO电极的合成曲线；

[0022] 图3是本发明实施例1中1.3V～-1.3V区间电沉积制备的阴极电催化剂NiOx/ITO电极的合成曲线合成曲线；

[0023] 图4是本发明实施例1中1.3V～-1.3V区间电沉积制备的阴极电催化剂 NiOx/ITO电极构筑光助燃料电池催化降解双酚A的紫外吸收图。

具体实施方式

[0024] 下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0025] 实施例1：一种电催化剂氧化镍电极的制备

[0026] 本实施例的NiOx/ITO电极，通过以下方法制备得到：

[0027] 以水为溶剂，以镍盐为主要成分，制备浓度为0.005mol/L的电沉积溶液；其中添加了浓度为0.1mol/L的钠盐作为支持电解质；用氢氧化钠溶液调节pH 为3.5，调控电沉积溶液温度为25℃；以ITO电极作阳极，以铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，分别与电化学工作站的3个电极接头连接，控制 NiOx沉积的电位区间为0.0V～-1.3V(图2)或1.3V～-1.3V(图3)，分别沉积圈数 20圈，然后将此电极浸泡在去离子水中30min，放入烘箱中在35～45℃条件下恒温干燥分别得到两种NiOx/ITO电极。

[0028] 实施例2：光助燃料电池的构建

[0029] 以CdS/TiO2/ITO电极作阳极，以实施例1制备的两种NiOx/ITO电极分别作阴极；在阳极池中加入浓度0.1mol/L的硫酸钠溶液作为电解质溶液，加入浓度为0.05～3mmol/L的双酚A溶液作为燃料，调节pH为13.0；在阴极池中加入0.1mol/L的硫酸钠溶液，并加入0.05～5mol/L的次氯酸钠溶液，调节pH 为13.0；两池之间用饱和氯化钾盐桥连接，在可见光照射下构建形成光助燃料电池。

[0030] 实施例3：光助燃料电池性能测试

[0031] 对实施例2构建的光催化燃料电池性能的测试，具体操作步骤如下：

[0032] 调节连接在光催化燃料电池的阳极和阴极之间电阻箱的电阻值，测量计算光催化燃料电池的电流密度和功率密度随电压的变化曲线，结果如图1所示。

[0033] 在可见光辐射下，实施例2构建光电化学燃料电池中在可见光辐射下以 ITO作为阴极构建的光电化学燃料电池中燃料电池的短路光电流密度为 6.4μA·cm-2，在0.26V下的最大功率密度为0.83μW·cm-2，以0.0V～-1.3V区间电沉积制备的NiOx/ITO作为阴极构建的光电化学燃料电池中燃料电池的短路光电流密度为17.42μA·cm-2，在0.54V下的最大功率密度为5.93μW·cm-2，以 1.3V～-1.3V区间电沉积制备的NiOx/ITO作为阴极构建的光电化学燃料电池中燃料电池的短路光电流密度为32.76μA·cm-2，在0.63V下的最大功率密度为 15.31μW·cm-2。这明显表明以1.3V～-1.3V区间电沉积制备的NiOx/ITO作为阴极所构建的光电化学燃料电池具有较好的电池性能，且在可见光辐射下能更有效地实现光能和化学能向电能的转化。

[0034] 实施例4：双酚A降解分析

[0035] 阐明实施例2分别以ITO、0.0V～-1.3V、1.3V～-1.3V区间电沉积制备的电催化剂NiOx/ITO电极作为阴极构筑光助燃料电池降解双酚A转化为CO2分析，具体操作步骤如下：

[0036] 实施例2构建的光助燃料电池在可见光持续照射2小时下，催化降解双酚A转化为CO2。用紫外可见分光光度计对双酚A降解分析(图4)，从图中可以得出双酚A的吸收都是降低，说明发生了催化降解，无其他峰出现，说明催化的产物为CO2。且当以1.3V～-1.3V区间电沉积制备NiOx/ITO电极作为阴极时，双酚A的吸收最低，降解率最大(48％)，这同样表明以1.3V～-1.3V区间电沉积制备NiOx/ITO电极构筑光助燃料电池可以很好的提高污染物双酚A 的矿化。

[0037] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。