[发明专利]一种基于绿色能源驱动的轻量化光电催化系统及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种基于绿色能源驱动的轻量化光电催化系统及其制备方法和应用。本发明基于W金属基底原位生长，开发出多孔海绵状E‑WOsubgt;3/subgt;光阳极，基于Cu泡沫原位生长，设计出稳定的Cu纳米线阴极材料取代商业贵金属Pt片，构筑高效低廉的光阳极‑阴极协同去污与制氢的高效光电催化系统。利用太阳能板作为现场发电元件，配合能量转化，存储与输出控制电路，通过多重降压稳压，不仅可直接为光电催化(PEC)过程供电，还可以持续为磷酸铁锂电池供电，同时为光电催化系统提供稳定的、适当的偏压，并在太阳能光照强度动态变化以及无太阳光照时，PEC过程可提取电池中的电能，继续进行污染物降解和制氢，克服了实验室或室内使用的限制，实现了环境治理的可持续化。

技术领域

本发明属于光电催化技术领域，具体涉及一种基于绿色能源驱动的轻量化光电催化系统及其制备方法和应用。

背景技术

目前，面对全球水资源、能源短缺和环境污染的严峻局面，太阳能资源充沛，可就地开发利用和循环再生，相比于其他化石能源，简单易得、绿色环保。据统计，我国大部分地区的年日照数＞2200h，年辐射量超过5000MJ/m²，并且陆地每年的太阳能辐射接收总量十分可观，几乎可以与24×10⁴亿吨的标准煤储量相比拟。倘若能够有效开发利用太阳能资源，全球的能源危机便得到有效解决，环境污染和全球变暖的问题也将得到改善，有助于实现生态安全和推动可持续发展。

在光电催化体系中，将光催化剂固载化制备成电极，并在电极上施加外部偏压，该过程属于以“光催化和电化学协同作用”为基础的电助光催化技术，只需消耗极少量或不消耗额外电能就能实现对太阳能的高效催化转化，驱使光生电子转移至对电极，实现电子和空穴的定向分离和转移，进而有效提升光催化效率。一方面，光电催化技术作为环境和能源领域的绿色催化技术，不仅在反应过程中条件温和，而且表现出较强的氧化还原能力，具有巨大的应用优势和前景。然而，不稳定不连续的太阳能，具有高度分散性，容易受多种因素的限制和影响，并且能量密度低。当前太阳能转化利用的技术仍不成熟，导致太阳能全光谱利用效率低，应用成本较高，难以实现大规模的工业应用。另一方面，越来越多的研究致力于探索和开发出新型高效的光催化材料用于污染物降解或分解水制氢的应用领域。

在现有技术中，对于光电催化系统的研发现状如下：

(一)对于系统中的阳极：自从1972年Honda-Fujishima效应提出以来，基于纳米结构金属氧化物半导体光催化剂的光电催化(PEC)水裂解制氢技术已经成为日益严重的环境污染和日益加剧的能源危机的一个有前途的解决方案。PEC技术的效率很大程度上依赖于光电极材料。值得注意的是，使用和设计合适的半导体材料作为光电极是提高PEC效率的关键。在众多光电极材料中，氧化钨(WO₃)是一种典型的n型半导体材料，具有深价带(3.0Vvs.NHE)和窄带隙Eg(2.4～2.8eV)，具有高稳定性、低成本、低毒性等特点，同时具有优异的光电性能，如合适的空穴扩散长度(约150nm)和良好的电子传输性能(约12cm² V^-1s^-1)等。因此，从高效利用太阳光、高效制氢和污染物降解的PEC性能以及环境友好的角度来看，开发WO₃半导体作为高效光电极是有意义的。