[发明专利]可见光响应型光催化废水燃料电池及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种双极驱动的可见光响应型光催化废水燃料电池及其制备方法和应用，属于有机污染物处置及资源化利用领域。

背景技术

现代工业的飞速发展，使得大量的有毒、有害有机污染物排入水环境，造成了严重的污染，然而，污水中的有机成分还是重要的资源和能源。有机污染物的处理过程至少包括了两个过程，即有机物的降解和有机物化学能的释放。发展一种清洁、高效的有机废水处理技术，并实现有机物化学能的综合利用具有重要的意义。

以有机废水为资源，利用化学原电池的原理，让废水有机物在电池中“燃烧”，把有机物的化学能转化为电能，达到既净化水中的有机污染物又综合利用化学能的目的，这是一种具有可持续发展意义的水处理技术。

利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的微生物燃料电池目前已引起了广泛的关注，微生物燃料电池是在缺氧条件下，利用微生物将有机物的电子传递到阳极上，然后转移到阴极并最终实现发电（B.E.Logan,Nat.Rev.Microbiol.2009,7,375）。影响微生物燃料电池性能的关键因素是生物体系内的电子传递效率，然而微生物体系的电子传递过程十分复杂，电子传递速率也相对缓慢，这严重影响了电池的性能；此外，微生物燃料电池还存在着操作复杂、微生物培养、启动时间长和运行条件苛刻等不足。

基于光催化原理构建的光催化燃料电池则代表了一种快速、高效的，能够降解几乎所有的有机污染物的新途径。以金属钛基TiO₂纳米管阵列为光阳极，以Pt/铂黑电极为阴极组成的光催化废水燃料电池以其优异的性能已经引起了越来越多的关注（Biosens.Bioelectron.2007,23,140;Water Res.2011,45,3991;Chem.Commun.2011,47,10314）。但现有的光催化燃料电池仍然存在明显的缺陷，一方面以TiO₂半导体材料为光阳极的光催化废水燃料电池只能利用紫外光，导致光催化燃料电池对太阳光的利用范围较窄，虽然通过TiO₂半导体材料与窄禁带宽度半导体如CdS、Cu₂O等的复合(《可见光响应的纳米管阵列燃料电池》，中国专利申请号：201110203146.2)实现对可见光的响应，但CdS、Cu₂O等复合半导体极易发生氧化或还原而失活，导致光阳极电极稳定性差，无法满足长时间稳定运行的要求；另一方面，作为阴极使用贵金属Pt作阴极使得光催化燃料电池的成本剧增；此外，现有的光催化燃料电池的阴极仅限于起到电子回路的传递作用，没有起到产生光生电荷的作用，尽管理论上Cu₂O电极可以作为光阴极，但是氧化亚铜光蚀严重，亚铜离子易被自身还原为铜或被氧化为二价铜离子，因此无法支撑电池系统长时间的稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于可见光响应的光阳极——WO₃/W纳米孔阵列电极和可见光响应的光阴极——铂修饰硅电池片电极，构建双极驱动的可见光响应型催化废水燃料电池及其制备方法和应用，实现可见光对于阴、阳双电极的驱动，达到电池效率高、电极稳定性好和使用寿命长的效果，用于污水有机物的处理与有机物化学能的发电利用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种可见光响应型光催化废水燃料电池，包括光阳极、光阴极、有机废水、可见光光源、电解质溶液、石英反应池和空气通气口，其特征在于：所述的光阳极为可见光响应的WO₃/W纳米孔阵列光阳极，所述的光阴极为可见光响应的铂修饰硅电池片光阴极，该光阳极和光阴极的材料均能够直接响应可见光照射并产生光生电荷，所述的光阳极和光阴极分别插入所述石英反应池内含有所述有机废水的0.05～0.4M的硫酸钠电解质溶液中，并通过外部电路连通；开启所述可见光光源照射所述光阳极和光阴极，并在位于该光阴极附近的空气通气口持续通入空气，则所述光阳极产生的光生空穴降解所述有机废水中的有机污染物，所述光阴极产生的光生电子与通入空气中的氧气相结合，所述光阳极产生的光生电子通过外部电路传递至所述光阴极并与该光阴极产生的光生空穴结合，由此形成回路，实现有机废水中有机污染物的降解和电能的发电。

所述的可见光光源为模拟太阳光光源，光强为100mW cm^-2。

本发明的另一技术方案为：

一种上述的可见光响应型光催化废水燃料电池的制备方法，其包括：