CN103199294B - 基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池，其特征在于，负载有二氧化钛半导体纳米棒作为光催化剂的导电玻璃与微流体电池芯片及气体扩散电极构成微流动光催化无膜燃料电池主体，阳极导线，阴极导线将电池内部产生的电能引出供外部用电器使用；阳极液入口，阴极液入口分别用于有机废水污染物与阴极电解质流入。本发明利用微流体层流分层流动原理，去除传统光催化燃料电池中需要的质子交换膜，达到简化电池结构，降低制造成本的目的；空气中的氧气通过气体扩散电极进去电池芯片内参与反应，而无需专门输送装置；废水污染物与阴极电解液通过微流泵将注入光催化燃料电池芯片中，在光照条件下，将有机污染物中的化学能转换为电能向外输出。
Description
【技术领域】
本发明涉及燃料电池技术领域，具体的说，是一种基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池。
【背景技术】
光致电化学反应，是以光能为能量输入促使电化学反应发生，使存储在化学物质内的化学能转化为电能向外输出。
光催化燃料电池中的光催化剂在受到光辐射照射时，半导体光催化剂被激发，释放出电子，同时产生空穴，释放的电子和空穴能与水反应产生强氧化性自由基，从而能够分解废水中的有机污染物。激发产生的电子亦可以通过外电路导出，形成电流，向外电路用电器供电。
目前的光催化燃料电池采用体式反应器进行批处理，将燃料与电解质加入反应器内进行光致电化学反应，当燃料耗尽时，再补充燃料。但是，目前光催化燃料电池的性能还处于较低的水平，电流密度约1mA/cm-2。主要原因是，电池内的物质传输，电荷传输，光传输受到严重的制约，导致电池性能难以进一步提高。
微流体技术由于其快速的传质传热特性，近年来得到广泛的关注和应用。其层流特性能够很好的控制流体界面的物理化学过程。
气体扩散电极，允许气体但阻止液体通过电极。通过使用此类电极，能够在电化学反应过程中不断补充反应所需氧气，让光催化燃料电池产生一个呼吸作用。目前，尚无使用气体扩散电极设计的光催化燃料电池报道。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池；目的在于将微流体技术应用到光催化燃料电池中，用以突破限制光催化燃料电池性能提升的瓶颈，加快物质电荷传输，减少光能在传播方向上的损失。与此同时通过气体扩散电极的作用不断补充消耗的氧气，得到高效的光催化燃料电池反应器，并保持性能的长期稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池，其特征在于，负载有二氧化钛半导体纳米棒作为光催化剂的导电玻璃与微流体电池芯片及气体扩散电极构成微流动光催化无膜燃料电池主体，阳极导线，阴极导线将电池内部产生的电能引出供外部用电器使用；阳极液入口接管，阴极液入口接管分别用于有机废水与阴极电解质流入，出口接管用于排出废液。
所述的微流体光催化自呼吸无膜燃料电池使用有机废水作为燃料，使用矿物盐作为电解质，在处理废水的同时将有机物中的化学能转化为电能。
所述的电池芯片上设置宽度为2mm，深度为1mm，长度为10mm的微流道，微流道下侧为由载有铂催化剂的碳纸制成的气体扩散电极，上侧为二氧化钛半导体纳米棒光催化反应催化剂。
所述的电池芯片由两块微通道芯片基板I，芯片基板II组合而成，电池芯片内的微流体为上下分层层流流动，通过此种实际结构能有效保持通道内上下分层的层流流动。
所述的芯片基板I上开有两个通孔和两段槽，前段(靠近入口为前段)为凹槽，后段为通槽；前孔为阳极液入口孔，后孔为出口孔。
所述的芯片基板II上开有三个通孔和三段槽，前后两段为凹槽，中间段为通槽；前孔为阳极液入口孔，中间孔为阴极液入口孔，后孔为出口孔。
所述的阳极液入口，阴极液入口与电池芯片基板II连接，连接处用环氧树脂密封。
所述的出口与电池芯片基板II连接，连接处用环氧树脂密封。
所述的阳极导线与光催化负载玻璃相连，连接处使用碳浆和银浆连接。
所述的阴极导线与碳纸电极连接，连接处使用碳浆和银浆连接。
制备微流道芯片，使用微流动泵驱动流体，使得燃料与电解质在微通道中保持并行层流的流动状态。阳极液在光催化剂层表面发生光催化反应及氧化反应，阴极液在负载有铂催化剂的碳纸组成的气体扩散电极处发生还原反应。阳极光催化剂采用二氧化钛纳米棒，由水热法在导电玻璃上合成。由于微流体的物质扩散和电荷传输路径短，阻力小，能够快速实现燃料的补充和产物的排放，因此能够大大提高电池性能。由于阳极液与阴极液分层流动的特性，无需引入物理边界(例如质子交换膜)，仅依靠控制流体流动即能很好的控制两股流体分界面，简化了电池结构，降低制造成本。
本发明使用一种典型的废水污染物(如亚甲基蓝)作为燃料，采用天然矿物质盐(如硫酸钠)作为电解质，水作为溶液载体。当光催化剂受光照激发时，在光催化剂负载玻璃的阳极处产生电子和空穴，发生氧化反应：
TiO2+hv→TiO2(e-+h+)
电子通过外电路形成电流到达阴极，在气体扩散电极处发生还原反应：
e-+O2+H+→H2O
质子(H+)通过微通道内的电解液由阳极传输到阴极。
本发明的有益效果如下：
本发明基于微流动技术，突破传统光催化燃料电池限制瓶颈，大大提高光催化燃料电池性能。同时，利用微流体层流分层流动原理，去除传统光催化燃料电池中需要的质子交换膜，达到简化电池结构，降低制造成本的目的。此外，空气中的氧气通过气体扩散电极进去电池芯片内参与反应，而无需专门输送装置。有机废水与阴极电解液通过微流泵将注入光催化燃料电池芯片中，在光照条件下，将储存于化学物质中的化学能转换为电能向外输出。
本发明结构简单，成本低廉，制造方便，操作简便，与目前发展的体式光催化燃料电池相比性能提高75％以上。
【附图说明】
图1是本微流体光催化无膜燃料电池的结构示意图。
图2是本微流体光催化无膜燃料电池的截面图。
附图中的标记为：1、光催化剂负载玻璃；2、电池芯片；3、基板I；4、基板II；5、阳极导线；6、阴极导线；7、阳极液入口接管；8、阴极液入口接管；9、出口接管；10、气体扩散电极；11、阴极液；12、流体分界面；13、阳极液。
【具体实施方式】
以下提供本发明一种基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池的具体实施方式。
实施例1
在图1中，光催化剂负载导电玻璃1和电池芯片2构成本微流体光催化无膜燃料电池的主体。基板I3上刻有两段槽和两个通孔，前段为凹槽(长16mm，宽2mm，深0.4mm)，后段为通槽(长17mm，宽2mm，深0.5mm)，凹槽与光催化剂负载玻璃粘接构成阳极入口流道，通槽与基板II4的通槽，导电玻璃及气体扩散电极10粘接构成电池微流道。基板II上刻有三段槽和三个孔，前后两段(入口端为前，出口端为后)为凹槽(前段长8mm，宽2mm，深0.4mm；后段长7mm，宽2mm，深0.4mm)，中间段为通槽(长10mm，宽2mm，深0.5mm)，前段凹槽与基板I底面粘接构成阴极液入口流道，中间段通槽与基板I的通槽，导电玻璃，扩散电极粘接构成微通道，后段凹槽与基板I底面粘接构成出口流道。如图2所示，基板I的前孔与基板II的前孔构成阳极液入口，并与阳极液入口接管7以固化胶相连，基板I的后孔和基板II的后孔构成废液出口，并与出口接管9以固化胶相连。基板II的中间孔与基板I的下底面构成阴极液入口，并与阴极液入口接管8以固化胶相连。阳极液13与阴极液11分别从阳极入口接管和阴极入口接管流入，在电池微通道中呈上下分层流动。由于微尺度层流作用及扩散控制，阳极液与阴极液的交界面会自动形成一条狭窄的液体分界面12，起到防止阴极液与阳极液混合的作用，如图2所示。废液从出口管流出。
光催化剂负载导电玻璃与电池芯片之间，芯片基板I与芯片基板II之间，气体扩散电极与芯片基板II之间。
阳极导线5自光催化剂负载导电玻璃处引出，以导出光生电子，阴极导线6将电子导入阴极参与还原反应。导线与电极之间使用碳浆和银浆连接。
有机污染物(燃料)和阴极电解液分别从阳极液入口和阴极液入口进入电池，出口用于排出废液。
空气从气体扩散电极扩散入电池芯片中。
电池操作过程为：使用微流动泵将燃料与阴极电解液分别从阳极液入口与阴极液入口注入电池，燃料和阴极电解液分别流经阳极和阴极入口流道，在电池微流道处自然分层并行流动，同时，阳极导线与阴极导线通过外部负载(用电器)相连，形成电子回路。分别在光催化剂负载导电玻璃和气体扩散电极处发生氧化反应和还原反应，向外输出电能。反应后的废液经过出口流道，从出口排除电池。
本发明的操作过程中体现出以下特征：
(1)使用微流动设计，使有机污染物与电解质在微通道中保持并行层流的流动状态，通过流速的调整，可有效抑制两股流体间的混合，从而防止有机污染物扩散至电池阴极，造成寄生电流而降低电池整体输出。
(2)使用气体扩散电极的设计，可以快速有效向反应体系补充氧气，提高电化学反应效率。
(3)使用微通道设计，大幅降低了反应体系中的传质阻力与特征长度，从而减小了有机物从电解液流体到电极表面之间的传输损失。
以0.03mmol/L亚甲基蓝为燃料，0.1mol/L硫酸为电解质为例，本光催化微流动自呼吸无膜燃料电池能够产生1.65mA/cm2的电流，明显高于文献报道相同操作条件下采用体式反应器的光催化燃料电池电流密度值0.94mA/cm2。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池，其特征在于，负载有二氧化钛半导体纳米棒作为光催化剂的导电玻璃与微流体电池芯片及气体扩散电极构成自呼吸式光催化无膜燃料电池主体，阳极导线、阴极导线将电池内部产生的电能引出供外部用电器使用；阳极液入口接管、阴极液入口接管分别用于有机废水与阴极电解质流入，出口接管用于排出废液；
所述的自呼吸式光催化无膜燃料电池使用有机废水作为燃料，使用矿物盐作为电解质，在处理废水的同时将有机物中的化学能转化为电能；
所述的电池芯片上设置宽度为2mm,深度为1mm，长度为10mm的微流道，微流道下侧为由载有铂催化剂的碳纸制成的气体扩散电极，上侧为二氧化钛半导体纳米棒光催化反应催化剂；
所述的电池芯片由两块微通道芯片基板Ⅰ，芯片基板Ⅱ组合而成，电池芯片内的微流体为上下分层层流流动，通过此种实际结构能有效保持通道内上下分层的层流流动；
所述的芯片基板I上开有两个通孔和两段槽，前段为凹槽，后段为通槽；前孔为阳极液入口孔，后孔为出口孔；
所述的芯片基板Ⅱ上开有三个通孔和三段槽，前后两段为凹槽，中间段为通槽；前孔为阳极液入口孔，中间孔为阴极液入口孔，后孔为出口孔；
制备微流体电池芯片，使用微流动泵驱动流体，使得有机废水与电解质在微通道中保持并行层流的流动状态；阳极液在光催化剂层表面发生光催化反应及氧化反应，阴极液在负载有铂催化剂的碳纸组成的气体扩散电极处发生还原反应；阳极光催化剂采用二氧化钛纳米棒，由水热法在导电玻璃上合成。
2.如权利要求1所述的基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池，其特征在于，所述的阳极液入口，阴极液入口与电池芯片基板Ⅱ连接，连接处用环氧树脂密封。
3.如权利要求1所述的基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池，其特征在于，所述的出口与电池芯片基板Ⅱ连接，连接处用环氧树脂密封。
4.如权利要求1所述的基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池，其特征在于，所述的阳极导线与光催化负载玻璃相连，连接处使用碳浆和银浆连接。
5.如权利要求1所述的基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池，其特征在于，所述的阴极导线与碳纸电极连接，连接处使用碳浆和银浆连接。
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