[发明专利]一种光电化学池及其制备方法

说明书

技术领域：本发明涉及光催化燃料电池领域，具体的说是以电解质水为反应介质的光电化学池。

背景技术：

随着人类社会的不断发展，能源消耗迅速增加，能源短缺问题已经越来越突出。因此，发展新型、洁净的可再生能源满足当今社会的发展需求已经成为一个迫切急需解决的问题。地球上的太阳能、风能以及潮汐能为洁净可再生能源，其中的太阳能具有广泛的应用前景。太阳能为可再生能源，来自太阳源源不断的照射，不受地理条件限制，零污染，安全。若能有效地利用这部分能源，将有效地缓解能源短缺与经济发展之间的尖锐矛盾，对太阳能的利用是将光能转换成电能即太阳能光电化学电池。

基于光催化原理构建的光催化燃料电池则代表了一种新型的快速、高效的太阳能光电化学应用。以金属钛基TiO₂为光阳极，以Pt/铂黑电极为阴极组成的光催化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.Common.2011，47，10314)。半导体TiO₂在光照条件下，受光激发生成光生电子和光生空穴，具有强氧化能力的空穴用于氧化分解阳极半电池中的还原物，而光生电子经外电路传递至阴极，在阴极侧与氧气发生反应，由此形成回路，同步实现还原物的氧化分解和发电。与一般染料敏化太阳能电池相比，光催化燃料电池无需浸泡价格高昂的N-719染料，且不用添加有毒有害的乙腈电解质溶剂，极大的降低了太阳能的利用成本。目前光催化燃料电池都以有机物为燃料或以有机物为反应牺牲剂(《一种以光催化燃料电池为电源的光电催化反应器》.中国专利号：CN102701316A；《TiO₂基光催化复合电极燃料电池处理有机废水的装置与方法》.中国专利号：CN102403523A)，尚无直接以水为反应介质来实现光-电转换的光催化燃料电池的报道，而且以铂贵金属为光催化燃料电池的阴极在成本上也限制了光催化燃料电池的大规模使用。

发明内容：

本发明提供一种直接以水为反应介质，阴极采用非贵金属催化剂，并实现高效、稳定放电输出的光电化学池。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的光电化学池，其特征是，由担载纳米线阵列TiO₂为光催化剂的导电玻璃与MnO₂阴极板构成光电化学池的主体，阴、阳极导线将电池内部产生的电能引出供外部设备使用，电池两端的接口分别为电解质水溶液的流入和流出口。

所描述的光电化学池整体为三明治结构，上下两层分别为阳极层和阴极层，中间层为流道层，设置流道宽度为5mm，长度为20mm，深度为0.2mm。流道的上侧为商用二氧化钛(P₂₅)光催化剂，流道下侧为MnO₂氧还原层。层与层之间用环氧树脂胶密封。

所描述的阳极层导电玻璃上开有两个通孔，开空位置对应于流道的两端，分别作为水电解质的流入口和流出口。

所描述的水流入接口、流出接口与导电玻璃连接，连接处用环氧树脂胶密封。

所描述的阳极导线与导电玻璃导电层连接，连接处用碳浆和银浆连接。阴极导线与阴极板上的不锈钢网相连接，连接处用碳浆和银浆连接。

所述的光电化学池以超纯水(18MΩ/cm)为反应介质，使用矿物盐(如硫酸钠)作为电解质。其工作原理如图1所示，主要包括以下几个过程：

(1)当半导体光催化剂受光照激发时，半导体中的电子从价带跃迁至导带，生成光生电子和光生空穴：TiO₂+hv→h⁺+e^-

(2)利用光生空穴的强氧化性氧化分解水：h⁺+H₂O→2H⁺+^1/2O₂

(3)光生电子经外电路回传至阴极，在阴极催化剂表面发生氧还原反应：e^-+^1/4O₂+^1/2H₂O→OH^-

本发明具有以下优点：

1.直接以电解质水为反应介质，在光照分解水的同时为外部设备提供电能，与有机质为燃料的光催化燃料电池相比，具有同样稳定高效的放电输出。

2.以非贵金属催化剂MnO₂取代Pt/铂碳催化剂作为光电化学池的阴极材料，降低了光催化燃料电池的制作成本。