[发明专利]一种产电与降解污染物的非光催化与光催化燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明属于环境保护和污染控制技术领域，涉及在有光与无光照的条件下,应用无光催化电池系统和光催化耦合电池系统，在处理难降解污染物及有机废水的同时产生电能，并且在闭合电池系统中污染物降解率更高。 

背景技术

水是生命之源，水资源是不可替代的自然资源之一，水污染日益加重和水资源短缺，是世界性的首要环境治理难题。人工强化水的净化和处理需要消耗能源，而去除难降解污染物的经典高级氧化法，吨水处理能耗成本较高，是水环境保护的制约因素。能源是人类生活和发展的物质基础，随着人口增长，世界能源供应日益紧张。从废物中提取能源和开发利用新能源，已成为世界各国研究的焦点。需要开发既可以治理环境污染，又可以节能和回收能源的废水处理新技术。

光催化燃料电池是一种新型的光电催化耦合系统，利用光催化分解污水中的有机物净化废水，产生电能，同时解决空穴和电子对之间复合的问题。因其具有高效、无污染等优点而被广泛研究。当具有大于光催化剂禁带带隙能的光照射时，价带上的电子会跃迁到导带上，从而形成空穴/电子对，激发电子与氧气形成超氧自由基，而所产生的空穴h⁺与吸附在光催化剂表面的H₂O或OH^-反应生成·OH，·OH为强氧化剂，氧化降解水中的有机污染物；产生的空穴也具有强氧化性，能够直接氧化水中有机物[Kang I C，Zhang Qiwu，Yin Shu，et al.Improvement in photocatalytic activity of TiO₂under visible irradiation through addition of N-TiO₂[J].Environmental Science&Technology，2008，42(10)：3622-3626.]。光照作为光催化燃料电池的重要组成部分,增加了运行成本与能耗。因此,研究光照与否具有很重要的意义；所查研究报道中，所有光催化降解污染物均在紫外或者可见光条件下进行，没有对光催化剂系统体系，在黑暗条 件下是否产生·OH及产生电能进行研究，以及对该产电系统是否提高了处理污染物的效率进行研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种在有光照与无光照条件下均可降解有机污染物并产电的光催化燃料电池系统，解决了传统光催化必须光照的问题，以及光催化电池系统，无光照不产电的问题。

本发明的技术方案是：

1.设计反应器构型：反应器分为阳极室与阴极室，两室内设置卡槽，两电极分别放入其中，两室底部均设置曝气头，阳离子交换膜夹于两室中间，将两室溶液分开，同时促进质子传递，加快两极反应速率；

2.阳极催化剂负载：碳纤维布使用无水乙醇浸泡后烘干备用，钛酸四丁酯与乙醇混合，磁力搅拌的条件下加入盐酸与去离子水，加入g-C₃N₄，充分搅拌均匀至溶液呈淡黄色；浸入碳纤维布，烘干，反复浸泡烘干后，将以上碳纤维布高温煅烧；

3.阴极催化剂：制作原位生长Pt纳米线阴极方法如下，乙醇浸泡碳纤维24h,60℃烘干备用，将17mg H₂PtCl₆·6H₂O与0.53mL甲酸，加入含有10.6ml超纯水的玻璃皿中，浸入碳纤维布(催化剂负载量0.4mg·cm^-2)，40℃，16h，至溶液变为无色，40℃，6h烘干；

4.阳极室内液体为10mg·L^-1RhB,0.5mol·L^-1Na₂SO₄,0.5mol·L^-1NaOH 350mL；

5.阴极室内液体为10mg·L^-1RhB,0.5mol·L^-1Na₂SO₄,0.5mol·L^-1H₂SO₄250mL；