CN106486687B - 光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合*** - Google Patents

光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合***，在反应腔体上设有一个凹槽状的空腔，该空腔由导电玻璃封口，空腔的前部为反应腔室，后部为并排设置并相互连通的阴极室和阳极室，在反应腔室内设有光催化剂层，阴极室内设有阴极催化剂层，阳极室内设有阳极光催化剂层，光催化剂层、阴极催化剂层和阳极光催化剂层均负载于导电玻璃上。本发明将光催化制备过氧化氢和光催化燃料电池处理有机物同时产电一体化，结构简单，成本低廉，且性能有效提高；具有无膜、比表面积大、传质效率高、流动控制精确、接触时间短、放大设计容易、光照均匀、光程损失少等优点；可利用废水中的有机物产电，既可以控制环境污染，同时又可以得到电能。

Description

光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合***
技术领域
本发明属于光催化领域，具体地说，特别涉及一种光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合***。
背景技术
过氧化氢(H2O2)，又称为双氧水，是一种重要的化工产品，同时它是一种清洁干净的绿色氧化剂。过氧化氢的标准电极电位较高(1.77V、0.88V)，氧化性强。其本身又只含有氢和氧两种元素，反应只生成水(H2O)和氧气(O2)，产物不会给反应体系中引入任何杂质离子，对后续反应几乎无影响，这是它的另一大优点。目前，国内外生产过氧化氢的主要方法是蒽醌法(也称为自动氧化法)，该法技术成熟，但工艺复杂，装置投资大，在工艺过程中大量使用有机溶剂，对环境污染较为严重。近来，利用太阳能光催化技术制备过氧化氢日益受关注。
近年来，全球面临能源危机和环境污染的严峻挑战。光催化燃料电池(PFC)可实现降解有毒有害难降解的有机污染物同时产电，具有低成本、环境友好等特点，因而成为未来高新技术的新希望。对于光催化燃料电池而言，影响电池性能的有光催化剂材料、电解质浓度及pH、阴极氧化剂、光强等。在相同阳极及运行条件下，改变阴极氧化剂会对电池性能有极大提升。目前，氧气作为最常用的光催化燃料电池的电子受体，其大多数供氧方式是采用鼓泡溶氧，这种方式需要额外的供氧设备。另外有自呼吸阴极，但这种方式的氧气浓度明显减小，而研究表明，在阴极的氧气浓度增加时，阴极性能得以提升，从而使得PFC整体性能得以提升。用氧气做氧化剂还存在氧气在液相中溶解度低，且传质速率小的问题，从而导致电池性能不佳，限制了PFC的实际应用。此外双氧水的电化学还原电位要高于氧的电化学还原电位，有望使得光催化燃料电池的性能得到进一步提高。因此，提出了以双氧水代替氧气作为氧化剂的想法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合***。
本发明技术方案如下：一种光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合***，其特征在于：反应腔体由不导电材料制成，在反应腔体上设有一个凹槽状的空腔，该空腔由反应腔体上覆盖的导电玻璃封口，所述反应腔体空腔的前部为反应腔室，后部为并排设置并相互连通的阴极室和阳极室，所述阴极室的前端与反应腔室的后端连通，在所述反应腔室内设有光催化剂层，阴极室内设有阴极催化剂层，所述阳极室内设有阳极光催化剂层，所述光催化剂层、阴极催化剂层和阳极光催化剂层均负载于导电玻璃上，且阳极光催化剂层通过导线与阴极催化剂层连接，在所述反应腔室的前端开设有供液体流入反应腔室的第一进液口，阴极室的后端开有供液体流出阴极室的第一出液口，所述阳极室的前端开设有供液体流入阳极室的第二进液口，阳极室的后端开设有供液体流出阳极室的第二出液口。
本发明作为光催化燃料电池反应器***，太阳光从导电玻璃侧由上至下垂直照射反应器，并采用蠕动泵通过第一进液口向反应腔室内注入溶氧电解质溶液，溶氧气的电解质溶液在反应腔室内从前往后流动。导电玻璃上喷涂了光催化剂层，在太阳光照射下，价带上的电子会跃迁到导带上，从而形成空穴/电子对，即光生电子(e-)和具有强氧化性的空穴(h+)，电子还原氧气生成过氧化氢，同时产生的空穴h+与吸附在光催化剂层表面的水或氢氧根离子OH—反应生成羟基自由基，两个羟基自由基反应生成过氧化氢。
通过第二进液口向阳极室中注入含有有机物的电解液溶液。在光照的激发下产生光生电子-空穴对，空穴还会与电极表面的水分子或者氢氧根离子发生反应生成羟基自由基，羟基自由基也具有强氧化性。在空穴和羟基自由基的共同作用下，有机物通过光电化学反应被氧化分解为CO2和质子。
在反应腔室中生成的过氧化氢随着电解质溶液流动到由阴极催化剂层封闭成的阴极室。质子由阳极传输到阴极。电子通过外电路传到阴极，与具有强氧化性过氧化氢反应生成水。
阴极催化剂层通过导线和导电玻璃相连，阴阳极间由导线连接形成回路，实现产电。
作为优选，所述反应腔体由PDMS浇筑而成。
作为优选，所述导电玻璃为FTO导电玻璃。
作为优选，所述光催化剂层和阳极光催化剂层均为TiO2或者WO3或者Bi2O3或者Bi4Ti3O2半导体材料。
作为优选，所述阴极催化剂层为p型半导体或者负载Pt催化剂的碳纸。
有益效果：本发明利用光催化技术制备过氧化氢，将过氧化氢供给燃料电池的阴极作氧化剂，过氧化氢的氧化性较氧气更强，且还原电位要高于氧的电化学还原电位，可以使得光催化燃料电池的性能得到提升。双氧水作氧化剂后，电池性能得到了改善，这主要是因为双氧水的还原过程是两电子过程，而氧气的还原过程是四电子过程，双氧水还原过程的动力学性能要优于氧气还原的动力学性能；还有就是双氧水是液体，与氧气相比较，在传质方面会有大大的改善。
本发明基于微流体技术，除了具有传统微流控技术所具有的比表面积大、传质效率高、流动控制精确、接触时间短、放大设计容易等优点外，还具有光照均匀、光程损失少、无膜可降低成本等突出的优势。
本发明采用PDMS制作反应器，具有高光学透明度，化学惰性，良好的生物兼容性，无毒、不易燃，价廉等优点。
本发明将光催化制备过氧化氢和光催化燃料电池处理有机物同时产电一体化，结构简单，成本低廉，且性能有效提高。
本发明所涉及的光催化燃料电池可以作为一种辅助电源，可利用废水中的有机物产电，既可以控制环境污染，同时又可以得到电能。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式的结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是本发明的腔室流道图。
图4是导电玻璃的结构示意图。
图5是本发明与蠕动泵、废液收集器及用电设备的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1、图2、图3、图4所示，反应腔体6由不导电材料制成，并优选由PDMS浇筑而成。当然，作为等同的替换，反应腔体6也可以采用其它微流控领域的聚合物材料。在反应腔体6上设有一个凹槽状的空腔，该空腔由反应腔体6上覆盖的导电玻璃5封口，导电玻璃5优选为FTO导电玻璃，并与反应腔体6固定连接在一起。反应腔体6空腔的前部为反应腔室10，后部为并排设置并相互连通的阴极室11和阳极室12，阴极室11的前端与反应腔室10的后端连通。
如图1、图2、图3、图4所示，在反应腔室10内设置有光催化剂层7，该光催化剂层7通过喷涂负载于导电玻璃5上，光催化剂层7可以采用TiO2或者WO3或者Bi2O3或者Bi4Ti3O2等半导体材料，本实施例优选为TiO2。在阴极室11内设置有阴极催化剂层8，阴极催化剂层8通过喷涂负载于导电玻璃5上，阴极催化剂层8可以为p型半导体或者负载Pt催化剂的碳纸。在阳极室12内设有阳极光催化剂层9，该阳极光催化剂层9负载于导电玻璃5上，阳极光催化剂层9通过导线与阴极催化剂层8连接。阳极光催化剂层9可以采用TiO2或者WO3或者Bi2O3或者Bi4Ti3O2等半导体材料，本实施例优选为TiO2。当然，作为等同的替换，催化剂层也可以采用其它适合的材料，只要能满足使用要求即可。
如图1、图2、图3、图4所示，反应腔室10的前端、阴极室11的后端以及阳极室12的前后两端均为尖头结构，在反应腔室10的前端开设有供液体流入反应腔室10的第一进液口1，阴极室11的后端开有供液体流出阴极室11的第一出液口3。在阳极室12的前端开设有供液体流入阳极室12的第二进液口2，阳极室12的后端开设有供液体流出阳极室12的第二出液口4。以上第一进液口1、第一出液口3、第二进液口2和第二出液口4均形成于反应腔体6上。
本发明的工作原理如下：
如图5并结合图1、图2、图3、图4所示，本发明作为光催化燃料电池反应器，太阳光从导电玻璃5侧由上至下垂直照射反应器b，并采用蠕动泵a通过第一进液口1向反应腔室10内注入溶氧气的电解质溶液，溶氧气的电解质溶液在反应腔室10内从前往后流动。导电玻璃5上喷涂了阳极光光催化剂层，在太阳光照射下，价带上的电子会跃迁到导带上，从而形成空穴/电子对，即光生电子(e-)和具有强氧化性的空穴(h+)，电子还原氧气生成过氧化氢，同时产生的空穴h+与吸附在光催化剂层7表面的水或氢氧根离子OH—反应生成生成羟基自由基，两个羟基自由基反应生成过氧化氢。
反应生成H2O2的方程式为：
TiO2+hv→h++e-
O2+e-→(O2 -)s
(O2 -)s+H+→(HO2·)s
(HO2·)s+e-→(HO2 -)s
(HO2 -)s+H+→(H2O2)s
H2O+h+→OH·+H+
OH·+OH·→H2O2
通过第二进液口2向阳极室12中注入含有有机物的电解液溶液，含有有机物的电解液溶液从前往后流动。在光照的激发下产生光生电子-空穴对，空穴还会与电极表面的水分子或者氢氧根离子发生反应生成羟基自由基，羟基自由基也具有强氧化性。在空穴和羟基自由基的共同作用下，有机物通过光电化学反应被氧化分解为CO2和质子。反应方程式如下：
TiO2+hv→h++e-
R+nh+→R‘+nH+
其中R表示有机物，R‘为还原产物，如CO2
在反应腔室10中生成的过氧化氢随着电解质溶液流动到由阴极催化剂层8封闭成的阴极室11。质子由阳极传输到阴极。电子通过外电路传到阴极，与具有强氧化性过氧化氢反应生成水。反应方程式如下：
H2O2+2H++e-→2H2O
阴极催化剂层8通过导线和导电玻璃5相连，阴阳极间形成回路，实现产电，并可以将电能传送给用电设备d，向用电设备d供电。阴极室11内流到最后端的溶液以及阳极室12内流到最后端的溶液分别通过第一出液口3和第二出液口4流向外面的废液收集器c，最终由废液收集器c进行统一收集。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合***，其特征在于：反应腔体(6)由不导电材料制成，在反应腔体(6)上设有一个凹槽状的空腔，该空腔由反应腔体(6)上覆盖的导电玻璃(5)封口，所述反应腔体(6)空腔的前部为反应腔室(10)，后部为并排设置并相互连通的阴极室(11)和阳极室(12)，所述阴极室(11)的前端与反应腔室(10)的后端连通，在所述反应腔室(10)内设有光催化剂层(7)，阴极室(11)内设有阴极催化剂层(8)，所述阳极室(12)内设有阳极光催化剂层(9)，所述光催化剂层(7)、阴极催化剂层(8)和阳极光催化剂层(9)均负载于导电玻璃(5)上，且阳极光催化剂层(9)通过导线与阴极催化剂层(8)连接，在所述反应腔室(10)的前端开设有供液体流入反应腔室(10)的第一进液口(1)，阴极室(11)的后端开有供液体流出阴极室(11)的第一出液口(3)，所述阳极室(12)的前端开设有供液体流入阳极室(12)的第二进液口(2)，阳极室(12)的后端开设有供液体流出阳极室(12)的第二出液口(4)。
2.如权利要求1所述的光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合***，其特征在于：所述反应腔体(6)由PDMS浇筑而成。
3.如权利要求1所述的光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合***，其特征在于：所述导电玻璃(5)为FTO导电玻璃。
4.如权利要求1或2或3所述的光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合***，其特征在于：所述光催化剂层(7)和阳极光催化剂层(9)均为TiO2或者WO3或者Bi2O3或者Bi4Ti3O2半导体材料。
5.如权利要求1或2或3所述的光催化产过氧化氢与光催化燃料电池耦合***，其特征在于：所述阴极催化剂层(8)为p型半导体或者负载Pt催化剂的碳纸。
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