雙極可見光響應型光催化廢水燃料電池的研究.pdf

1、廢水資源化是現階段水污染治理研究的重點與難點。開發(fā)有效的污染物降解工藝并同時回收其中蘊含豐富的化學能是實現廢水資源化的有效途徑。微生物燃料電池是目前報道較多的廢水資源化技術，但仍然受限于低效率，工藝復雜等缺陷。本文基于費米能級匹配的原理，提出了使用光陽極與光陰極構建雙極可見光響應型光催化廢水燃料電池的新思路。論文首先提出了一種制備可見光響應的鎢基三氧化鎢（WO3/W）光陽極的新方法，在此基礎上，通過優(yōu)選與WO3/W光陽極能級匹配的可見光

2、響應型光陰極—Cu2O/Cu光陰極、Pt修飾Si太陽能電池片(Pt/PVC)光陰極，成功地構建了雙極可見光響應型光催化電池體系，在實現有機污染物降解的同時，回收有機污染物的化學能，同時還可用于光催化自發(fā)分解水產氫。
　　金屬鎢基三氧化鎢（WO3/W）納米陣列有序結構光陽極材料的制備。以金屬鎢片為基底材料，將金屬鎢片經氧化預處理后在表面生成WO3薄層，作為水熱反應的品種，通過水熱反應制備金屬鎢基WO3納米陣列結構光陽極材料。水熱反應

3、體系中，以PEG(PEG)作為導向劑，以酸化的Na2WO4溶液為水熱反應液.，通過水熱反應時間的控制可以分別得到具有納米條陣列、納米片陣列和納米塊結構的WO3/W光陽極。在水熱反應過程中，PEG導向的機制是通過長鏈PEG大分子在WO3晶體的溶膠表面吸附，控制晶體生長的各向同性，使得晶體生長整齊有序。由于晶種是通過金屬鎢氧化形成的，因此晶種與金屬鎢基底以及有序生長的晶體之間保持了自然均質化的結合，并能表現出優(yōu)異的穩(wěn)定性和光電性能。由此制備

4、的WO3/W光陽極材料禁帶寬度為2.6eV，能夠吸收波長為480nm的可見光，中性溶液中光電流密度可達2.35mA/cm2，表現出良好的分解水制氫與降解有機污染物的性能。
　　雙極可見光響應型光催化廢水燃料電池—WO3/W-Cu2O/Cu電池的設計與應用。基于n型半導體WO3的費米能級高于p型半導體Cu2O的特點，以可見光響應型WO3/W為光陽極，以可見光響應型Cu2O為光陰極，構建了雙極均可進行可見光響應的光催化廢水燃料電池，該

5、電池在可見光光照的條件下，WO3/W光陽極的電勢高于Cu2O/Cu光陰極的電勢，從而形成電勢差自發(fā)地驅動WO3/W光陽極的光生電子轉移至Cu2O/Cu光陰極，在外電路形成電流的同時分離出WO3/W光陽極強氧化性的空穴，同時實現降解有機物和對外發(fā)電。該體系的短路電流可達205μA/cm2，能夠實現對有機污染物尤其是難降解有機污染物包括苯酚、羅丹明B和剛果紅的處理。
　　雙極可見光響應型光催化電化學池—WO3/W-Pt/PVC電化學池

6、自發(fā)分解水產氫性能研究。為了克服光陰極Cu2O/Cu穩(wěn)定性差的問題，基于商品化Si電池片良好的穩(wěn)定性和較高的光電活性，經過處理與修飾，設計了性能更為優(yōu)異的且穩(wěn)定的Pt/PVC光陰極，能夠滿足長時間穩(wěn)定運行的要求。利用Pt/PVC光陰極與WO3/W光陽極費米能級匹配的特點，構建了可以進行光催化自發(fā)分解水產氫的電化學池，產氫速率可達0.204μmol/hcm2。
　　雙極可見光響應型光催化廢水燃料電池—曝氣WO3/W-Pt/PVC電池

7、降解有機物與發(fā)電研究。將雙極可見光響應型光催化電化學池—WO3/W-Pt/PVC電化學池應用于廢水處理和發(fā)電，并由此構建了雙極可見光響應型曝氣WO3/W-Pt/PVC光催化廢水燃料電池。研究表明，通過曝氣，能夠改變Pt/PVC光陰極光生電子的消耗方式，使得Pt/PVC光陰極的電極反應由還原H+析出H2轉變?yōu)檫€原O2生成H2O，由此在Pt/PVC光陰極表面分離出更多的光生空穴用于吸引WO3/W光陽極的光生電子。這一效果有助于WO3/W光陽