光催化燃料电池研究进展
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
86当代化工研究
Chenmical I ntermediate行他动戍2017•07光催化燃料电池研究进展
*罗景曦
(宝鸡中学陕西721000)
摘要:环境污染物的能源和资源化利用是当前研究的热点。半导体光催化剂与光催化废水燃料电池的结合实现了污染物的高效去除和电 能的产生。本文详细介绍了半导体光催化反应原理和应用现状,光催化废水燃料电池的基本运行结构以及决定电池性能的光阳极材料和功 能性阴极材料的研究现状。
关键词:半导体光催化反应;光催化废水燃料电池;光阳极;功能性阴极
中图分类吾:T 中图分类号:A
Research Progress of Photocatalytic Fuel Cell
Luo Jingxi
(Baoji Middle School,Shanxi,721000)
Abstract: The energy and r esource utilization o f e nvironmental p ollutants is the f ocus of c urrent research. The combination of s emiconductor photocatalyst and p hotocatalytic wastewaterfuel cell has realized the efficient removal ofpollutants and t he generation of e lectrical energy. This p aper elaborates the principle and application status of s emiconductor p hotocatalytic reaction, the basic operating structure ofphotocatalytic wastewater fuel cell, the research status o f t he optical anode materials andfunctional cathode materials which determine the p erformance of t he battery.
Key words i semiconductor p hotocatalytic reaction;photocatalytic wastewater f uel cell% optical anode;functional cathode
1. 引言
工业化的不断发展带来的是人类社会对资源和能源需求 逐渐增大,出现了众多类型的环境污染问题。其中水污染问 题愈发严重,污水处理工艺是解决水污染问题的重要途径。传统污水处理以去除污染物作为目的,忽略了水中污染物所 蕴含的化学能。经调查,每年因有机生物废弃物排放造成的 能量损耗可达到全球总量的三分之一。因此,研发一种能够 回收污水中化学能的清洁去污技术对于资源和能源的可持续 发展具有重要的意义。太阳能是一种众所周知的新能源,它 具有清洁、可再生、丰富等优点。在利用和转化太阳能的过 程中,光催化剂扮演重要角色。半导体基催化剂就是其中一 种简单、清洁、经济、实用的光催化剂。以半导体光催化剂
为基础的光催化废水燃料电池体系充分利用太阳能和污染物 的化学能产生电能。同时结合太阳能丰富、清洁及半导体催 化剂来源广泛、物化性质稳定、电子传递迅速、无二次污染 的优势,光催化废水燃料电池技术成为十分具有应用前景的 污水处理技术。
2. 半导体光催化剂
半导体光值化反应机理
根据材料的不同能带结构,可将材料分为绝缘体材料、半导体材料和导体材料。导体材料由于存在空的能带,价电
子能够自由移动从而使其具有导电的性能。绝缘体价电子处 于满带,导带全空且禁带宽度很大。因此即使在外界较大刺 激下价电子虽获得能量也难以从满带跃迁至导带上,不能导 电。半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间,与导体、绝 缘体有相似的能带结构,存在一条能量宽度为A Eg的禁带在 价带(VB)和导带(CB)之间。半导体的价带在未被激发之 前,电子充满价带,导带为空带,并且半导体的禁带宽度比 绝缘体的要小得多。光照射半导体催化剂后,当入射光子的 能量大于半导体的禁带宽度,半导体吸收光子的能量使价带 中的电子激发到导带,在价带中留下带正电的空穴,产生等量的电子与空穴,产生的空穴本身具有氧化性。同时溶液中 的1120和OH-与空穴作用生成具有强氧化性的羟基自由基或者 与氧气反应生成超氧离子。有机污染物则被这些具有氧化性 的物质降解。因半导体能带结构缺少连续区,电子与空穴保 留时间相对较长,使得自由电子可以通过电场或扩散与吸附 在半导体光催化剂表面的物质充分发生氧化还原反应。也可 以通过外部回路产生电能。电子和空穴的复合率的高低决定 着半导体光催化剂的量子效率,即复合率髙,量子效率低,复合率低,量子效率高。
3.基于半导体光催化剂的光催化废水燃料电池
⑴光值化废水燃料电池的基本结构
传统的光催化废水燃料电池系统包括以金属半导体为材 料的阳极、辅助阴极和外部回路。
光催化废水燃料电池使用导线连接,半导体光阳极材料 的催化作用时核心作用,它的原理是金属半导体在光激发下 产生空穴和电子,电子通过外部电路传至阴极,进一步发生 还原反应被消耗,空穴发挥氧化降解体系中的有机污染物,回收其中的化学能。在这个反应过程中,输入的能量为清洁 的太阳能,产出为电能,实现了污水处理的资源化。通过外 部回路传导产生电能。
光催化废水燃料电池最早由Kaneko提出,由Ti〇2薄膜 光阳极和Pt阴极组成,该电池体系的驱动力来自紫外光的 光能,采用曝气方法增强电子在阴极的利用能力。研究表 明,许多有机化合物能够充当该电池体系的燃料,如多 糖、蛋白质、纤维素、木质素、甲醇、乙醇等。由于该电 池体系的铀电极对氧气的吸附能力有限,降低了它对阴极 电子的吸收转化能力,之后用铂黑电极作为燃料电池的阴 极,增加了电极反应速率,促使反应平衡,提高了光催化废水燃料电池的性能。近年来,有关光催化废水燃料电池的研究主要从光阳极材料和功能性阴极材料两方面开展。