[发明专利]一种光驱动降解废水产氢的杂化电池及其应用

说明书

技术领域

本发明属于利用太阳能驱动降解工业废水产氢、产电的技术，具体地涉及一种能够同时利用太阳能和废水中化学物质的化学能产生电能和氢能的电池。

背景技术

随着社会的发展，人类对于能源的需求越来越高，目前普遍使用的不可再生的化石能源已经无法满足人类的需要。因此如何有效利用诸如太阳能、生物质能等可再生的新型能源就成为能源领域的重大课题。基于此，开发新型、高效的太阳能或生物质能的能量转换器件成为研究热点之一。此外，随着工业化进程的深入，我国面临着严重的环境污染，如何有效地处理工业三废(废气、废液、废渣)，也是我国可持续发展战略实施中需要重点解决的问题。因此，研究如何有效处理工业废弃物，并将其转化成人类可利用的能源是本发明的立项背景。

基于多孔氧化钛、氧化锌纳米晶材料的染料敏化太阳能电池自1991年问世以来就引起了人们的广泛关注。染料敏化太阳能电池由于其相对低廉的价格，简单的制造工艺以及较高的效率，将有可能成为未来太阳能电池的主导。其光-电转换机理为：具有高比表面积的纳米晶多孔薄膜可以吸附很多单层染料分子来吸收太阳光；吸附的单层染料激发产生电子以后快速地将电子注入到半导体的导带中，然后经过外电路传递至阴极，从而形成电流。

燃料电池是一类以醇、糖等有机物为燃料，在催化剂(可以是化学催化剂或者是生物酶催化剂)的催化作用下，实现从化学能到电能的转换。它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量效率高，对环境也相对友好。

基于染料敏化太阳能电池和燃料电池的研究成果，Gust等人报道了一种光伏酶生物燃料杂化电池，当光照射到包覆有卟啉分子的SnO₂光阳极时，电子从激发态的卟啉S^*注入到半导体的导带，失去电子的卟啉S^*+从酶电极氧化还原对NAD(P)H/NAD(P)⁺，重新得到电子回到基态。葡萄糖脱氢酶氧化葡萄糖同时将S^*+与NAD(P)H的反应产物NAD(P)⁺还原为NAD(P)H，所得到的电池器件的开路电压为0.75V。随后该报道又采用TiO₂作为光阳极，得到的电池器件开路电压达到了1.1V。这种光伏酶生物燃料杂化电池能够结合染料敏化太阳能电池和生物燃料电池的优点，成为目前模拟植物光合作用较为成功的一种能量转换器件。然而这种新型电池器件的研究尚处于初级阶段，能量密度较低，并且寿命较短。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光驱动降解废水产氢的杂化电池，能够利用太阳能和工业废液中的化学能转换为电能和氢能，在对工业废液进行处理的同时，产生可利用的能源，从而达到废物利用、节能减排的目的。

为实现上述目的，本发明提供的光驱动降解废水产氢的杂化电池，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，如：TiO₂、ZnO或WO₃等；阴极材料是对氢气有催化产氢效果的材料，如：Ni、Pt、PtRu或PtSn；工业废液为燃料，盐类物质(如：NaCl、Na₂(SO₄)₂、MgCl₂)为电解质。

本发明的光阳极采用一维纳米棒、一维纳米管、纳米棒/纳米颗粒或纳米管/纳米颗粒复合结构，以实现光生电子和空穴的高效分离。

本发明的染料分子是能与半导体材料的能级匹配且对太阳光具有高吸收效率，并且在废液中能够长时间稳定存在的材料，如：二联吡啶钌的配合物-N3、N719、N749等，以及叶绿素衍生物。

本发明利用染料吸收太阳光并产生电能，同时氧化降解工业废液中的醇类、糖类等有机物产生氢能。

本发明的优点在于：

1、同时利用太阳能和工业废液，产生电能和氢能，一方面可以降解废液中的部分有机物，另一方面输出可利用的能源。

2、与燃料电池不同，本发明不需要利用纯燃料，而是采用工业生产废液，有利于工业生产中的节能减排。

3、电池各个部分设计的灵活性较强。可以根据工业废液成份的不同选择不同的催化剂和染料分子，具有一定的普适意义。

附图说明

图1是本发明的光驱动降解废水产氢的杂化电池工作原理示意图：以啤酒生产废水为例。

图2是本发明的一维氧化钛纳米棒结构光阳极扫描电镜照片。

图3是本发明的吸附有金属Pt纳米颗粒氧化钛光阳极的扫描电镜照片。