[发明专利]一种基于可见光驱动的光电降解有机污染物制氢的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及新能源技术和水处理技术领域，具体涉及一种基于可见光驱动的双n-型半导体光电降解有机污染物制氢的方法和装置。

背景技术

能源短缺、环境污染是人类面临的两大难题，寻找可持续供应的清洁替代能源已经是全球刻不容缓的一件大事。氢气作为一种二次能源，能量密度高、燃烧洁净，被公认为是矿物燃料的最理想替代能源。目前生产氢气的方法主要有两种：一种是以化石能源为原料与水蒸气反应制得水煤气，然后经变换、净化等工序制得；另一种应用较广且较成熟的方法是电解水制氢。化石燃料制氢要消耗大量的矿物资源，而且在生产过程中产生的污染物对地球环境造成破坏，不具有可持续发展性。

电解水制氢不产生二氧化碳排放，是清洁的制氢技术，目前工业规模的水电解装置电流效率可以达到56-73％，然而电解水制氢的成本随着电价的提高而不断提高。

太阳能光解水制氢是太阳能光化学转化与储存的最佳途径之一，其利用太阳光的能量，在催化剂作用下分解水产生氢气，将太阳能转化为氢能，氢作为能源使用后又回到水的形态，达到完全的可持续开发和利用。但是由于直接光催化分解水产氢效率低，限制了其实际应用，要提高产氢效率，必须添加电子给体作为牺牲剂来抑制光生电子和空穴的复合以及氢和氧复合的逆反应，从而获得产氢。电子给体的加入还可以促进催化剂的结构稳定而不易失活。

许多有机物都是很好的电子给体，能显著提高光催化分解水产氢的效率，尤其是利用废水中的有机污染物作为电子给体进行光催化分解水制氢，有机废物被氧化降解的同时水被还原产生氢气，既提高制氢效率，又去除了环境污染物。

申请号为200910138275.0的中国发明申请公开了一种光驱动降解废水产氢的杂化电池及其应用主要包括：光阳极为吸附有染料分子和作为催化剂的金属纳米颗粒的半导体材料；阴极材料是对氢气有催化产氢效果的材料，工业废液为燃料，采用盐类物质为电解质，半导体材料为具有光催化性质的材料；染料分子是能与半导体材料的能级匹配且对太阳光具有吸收效率，并且在废液中能够稳定存在的材料。该发明将染料敏化太阳能电池和燃料电池的概念整合在同一电池器件中，虽然能够利用染料吸收太阳能转化为电能，同时降解工业生产废液中的有机物产生氢能，但是这种杂化电池在同一个反应池内既要降解工业生产废液中的有机物，又要产电，还要产氢，光催化阳极的电子-空穴对不但没有外加驱动力促使其分离，空穴反应后剩余的电子在向产氢阴极迁移过程中还会受到外加电阻R的阻碍，致使效率不会很高。

发明内容

本发明提供了一种基于可见光驱动的光电降解有机污染物制氢的方法和装置，将反应器内分隔为相互独立的光催化原电池和光催化制氢池，光催化原电池将太阳能转化成电能，提供一定偏压驱动光催化制氢池内光催化阳极的电子-空穴对高效分离，空穴用于氧化降解有机污染物，电子用于产生氢气，从而使污染物去除效率和产氢效率都大大提高。

一种基于可见光驱动的光电降解有机污染物制氢的装置，包括反应器、集氢装置和光源，所述反应器底部带有磁力搅拌器；所述反应器内分隔为相互独立的光催化原电池和光催化制氢池，所述光催化原电池内设有若干对第一光催化电极对，所述光催化制氢池内设有若干对第二光催化电极对，所述第一光催化电极对和第二光催化电极对相互串联形成回路；所述光催化原电池和光催化制氢池内均设有磁子。

所述第一光催化电极对和第二光催化电极对相互串联是指每一对第一光催化电极对的阳极与对应的一对第二光催化电极对的阴极通过导线相连，每一对第一光催化电极对的阴极与对应的第二光催化电极对的阳极通过导线相连；反应器由透光性好的石英、玻璃或者有机玻璃制成；所述光催化原电池内含有氧化还原电对混合液，优选为可逆氧化还原电对，例如I^-/IO₃^-、Fe²⁺/Fe³⁺、S^2-/S₂^-等，在可见光的照射下能够将光能转化成电能，产生足够的电压使光电催化制氢池中的半导体光催化剂(如BiVO₄、BiVWO₄、Fe₂O₃等)即阳极的电子-空穴对分离，分离的空穴可以高效降解污染物，分离后的电子在光催化原电池电压驱动下移动到阴极产生氢气。光电催化制氢池内装有有机污染物废水，两个反应池通过完善的自耦合匹配，实现高效降解有机物并产生氢气。