专利名称：一种以光催化燃料电池为电源的光电催化反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以TiO2作为催化剂的光电催化反应器，尤其是涉及一种以光催化燃料电池为电源的光电催化反应器。
背景技术：
水是人类和一切生物赖以生存的基本要素，也是保障工农业和维系自然生态健康必不可少的资源。水资源在自然界循环中总量保持不变，但其水质却发生复杂的变化，只有水质达到必要的要求时才能成为可以利用的水资源。随着人口的增加、工农业生产的发展及水环境污染程度的日趋严重，许多地区的可用水资源相继出现了危机，严重制约了社会、 经济的发展。水危机及其所衍生的水质和生态问题不仅将严重束缚和制约经济发展，而且可能引发重大的社会和政治危机。因此，必须在充分节约用水的基础上，多方面开发非传统水源，以缓解因水资源紧张带来的一系列严重问题。随着人口的增加、工农业生产的发展及水环境污染程度的日趋严重，许多地区的可用水资源相继出现了危机，严重制约了社会、经济的发展。污水回用是解决水资源危机的重要的、不可或缺的措施，也是一条成本低、见效快的有效途径。污水回用不但可以缓解水资源短缺问题，同时还可以减少污染排放，对改善水环境质量也具有重要的意义。近年来， 各种新兴有机污染物在回用污水中被不断检出，给污水回用带来 了一定的风险。然而传统处理手段对此类污染物质的去除并没有太大效果，如何去除这种物质就成为一个迫切需要解决的问题。目前，利用TiO2纳米材料作为光催化材料来去除水中的有机污染物的研究越来越多。研究发现TiO2有无毒无害，对环境友好且便宜等特点，在水体的净化处理中都有巨大潜力。但是这种材料也有一些缺点限制它的广泛应用，其中一个缺点便是TiO2的量子产率较低，这会限制它电子与空洞的交换速度，从而降低了它光催化降解有机污染物的速度，而这也大大影响了它作为一种新型催化材料的使用范围。最近，有研究表明在TiO2光催化的过程中使用电压会大大地提高TiO2的量子产率，这样就能加快TiO2光催化降解有机污染物的过程。然而额外电压的使用势必会增加成本，这与节能减排的初衷不吻合。怎样在提高 TiO2量子产率的同时又能减少额外电能的使用成为了 TiO2光催化降解领域的一大热点问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以光燃料电池为电源的光电催化反应器，该反应器由光催化燃料电池反应器A和光电催化反应器B通过导线和电阻相连接而成。该反应器既能保证TiO2量子产率增加，又能减少额外电能的使用。本发明目的是通过以下技术方案实现的
一种以光催化燃料电池为电源的光电催化反应器，其特征在于该反应器由光催化燃料电池反应器A和光电催化反应器B通过导线6和电阻9相连接所制成，其中光催化燃料电池反应器A和光电催化反应器B，分别由一个石英玻璃槽2，在石英玻璃槽2的两个内侧面上各开两个凹形圆孔8，均分别以TiO2纳米管作为阳极4，以钼片作为阴极5，在阳极4和阴极5的上端分别开有两个小圆孔，将两根塑料杆3分别穿过阳极4和阴极5上的两个小圆孔后，塑料杆3的两端分别插入石英玻璃槽2内侧面的凹形圆孔8中，使阳极4和阴极5悬挂在石英玻璃槽2内，石英玻璃槽2内装有电解液7，导线6的一端连接在光催化燃料电池反应器A的阳极4上，另一端连接在光电催化反应器B的阴极5上，另一根导线6的一段连接在光电催化燃料电池反应器A的阴极5上，通过电阻9后导线6再与光电催化反应器B 的阳极4相连接，两个装有紫外灯I的竖型灯架分别放置在光催化燃料电池反应器A和光电催化反应器B的石英玻璃槽2的外侧面；其中，所述的光催化燃料电池反应器A的电解液 7为O. 05 mo I/L的乙酸和O. I mo I/L的Na2SO4,光电催化反应器B的电解液7为pH 4. 5， 0.01 mol/L的Na2SO4;所述的TiO2纳米管阳极4的管径为90 nm，管长为600 nm，孔隙率为 O. 54 cm3/g,比表面积为 300 m2/g。所述的紫外灯I功率为24 W，光强为2. O mWcm—2，波长为254 mm。所述的TiO2纳米管是通过以下方法制备得到
(1)将钛板用金相砂纸磨抛至表面无划痕，然后放入蒸馏水用超声清洗15min，丙酮中超声清洗15min，再用蒸馏水超声清洗15min，置于空气中干燥；
(2)电化学实验阳极为经上述处理后的钛板，镍板作阴极，电解液成分为氟化铵草酸 水的质量比为I :3 :200，阳极氧化在室温下持续进行磁力搅拌，反应时间为60min，阳极电压为20V ；
(3)经过步骤(2)反应得到的钛板用蒸馏水清洗，置于空气中干燥；
(4)将干燥后的钛板放入管式电阻炉中在空气中煅烧，煅烧温度500°C，降温速度 2V煅烧时间90min,生成TiO2纳米管。本发明中光催化降解有机污染物的方法，是在光电催化反应器B中添加有机污染物，然后打开紫外灯I即可。在此情况下，光催化燃料电池反应器A在紫外灯的照射下，阴阳极交换电子产生电流，此电流即作为电源连接到光电催化反应器B上，由于电流的作用， 此反应器催化降解有机物的速度提高。本发明具有以下优点
I.大大提高了TiO2的量子产率，从而加快1102光催化降解有机污染物的过程，光电催化相比光催化速度提高2倍。 2.减少额外电能的使用，达到了节能减排的目的。3. TiO2纳米管具有制作可重复，使用周期长，清洁方便，可成批生产等优点。4.光电催化安全高效，无其他有害物质生成。
图I为光催化燃料电池反应器A。图2为光电催化反应器B。图3以光催化燃料电池为电源的光电催化反应器。附图标记1、装有紫外灯的竖型灯架；2、石英玻璃槽；3、塑料杆；4、TiO2纳米管阳极；5、钼片阴极；6、导线；7、电解液；8、凹形圆孔；9、电阻。
具体实施例方式一种以光催化燃料电池为电源的光电催化反应器，其特征在于该反应器由光催化燃料电池反应器A和光电催化反应器B通过导线6和电阻9相连接所制成，其中光催化燃料电池反应器A和光电催化反应器B，分别由一个石英玻璃槽2 (大小为20 mm X 20 mm X 50 mm),在适应玻璃槽2的两个内侧面上各开两个凹形圆孔8 (半径O. 6 cm),均分别以 TiO2纳米管作为阳极4 (钛片大小为2 cm X 3 cm),以钼片作为阴极5 (钼片大小2 cm X 3 cm)，在阳极4和阴极5的上端分别开有两个小圆孔，将两根塑料杆3 (半径O. 5 cm)分别穿过阳极4和阴极5上的两个小圆孔后，塑料杆3的两端分别插入石英玻璃槽2内侧面的凹形圆孔8中，使阳极4和阴极5悬挂在石英玻璃槽2内，石英玻璃槽2内装有电解液7， 导线6的一端连接在光催化燃料电池反应器A的阳极4上，另一端连接在光电催化反应器 B的阴极5上，另一根导线6的一段连接在光电催化燃料电池反应器A的阴极5上，通过电阻9后导线6再与光电催化反应器B的阳极4相连接，两个装有紫外灯I的竖型灯架分别放置在光电催化燃料电池反应器A和光电催化反应器B的石英玻璃槽2的外侧面；其中，所述的光催化燃料电 池反应器A的电解液7为O. 05 mol/L的乙酸和O. I mol/L的Na2SO4, 光电催化反应器B的电解液7为pH 4.5,0.01 mol/L的Na2SO4 ;所述的TiO2纳米管阳极4 的管径为90 nm,管长为600 nm，孔隙率为O. 54 cm3/g，比表面积为300 m2/g。本例是使用以光燃料电池为电源的光电催化反应器降解光电催化反应器中25 mL 浓度为O. 045 mol/L的四环素。对比得，经过3h的反应时间，四环素在此反应器的降解下浓度变为初始浓度的20%,而如果只在光催化的作用下，经过3h，浓度为初始浓度的40%。 此外，导线上的电流强度为0.086 mA，也证明了光燃料电池反应器作为电源的作用。所述TiO2纳米管的制备方法如下
(1)将3cmX8cm的钛板用金相砂纸磨抛至表面无划痕，然后放入蒸懼水在超声 (15KHz)清洗15min，丙酮中超声(15KHz)清洗15min，再用蒸馏水超声(15KHz)清洗15min， 置于空气中干燥；
(2)电化学实验阳极为经上述处理后的钛板，镍板作阴极，电解液成分为氟化铵草酸 水的质量比为I :3 200,阳极氧化在室温下持续进行磁力搅拌，反应时间为60min，阳极电压为20V ；
(3)经过步骤(2)反应得到的钛板用蒸馏水清洗，置于空气中干燥；
(4)将干燥后的钛板放入管式电阻炉中在空气中煅烧，煅烧温度500°C，降温速度 2V煅烧时间90min,生成TiO2纳米管。
权利要求
1.一种以光催化燃料电池为电源的光电催化反应器，其特征在于该反应器由光催化燃料电池反应器A和光电催化反应器B通过导线(6 )和电阻(9 )相连接所制成，其中光催化燃料电池反应器A和光电催化反应器B，分别由ー个石英玻璃槽(2 )，在石英玻璃槽(2 )的两个内侧面上各开两个凹形圆孔(8)，均分别以TiO2纳米管作为阳极(4)，以钼片作为阴极(5)，在阳极(4)和阴极(5)的上端分别开有两个小圆孔，将两根塑料杆(3)分别穿过阳极(4)和阴极(5)上的两个小圆孔后，塑料杆(3)的两端分别插入石英玻璃槽(2)内侧面的凹形圆孔(8)中，使阳极(4)和阴极(5)悬挂在石英玻璃槽(2)内，石英玻璃槽(2)内装有电解液(7)，导线(6)的一端连接在光催化燃料电池反应器A的阳极(4)上，另一端连接在光电催化反应器B的阴极(5)上，另ー根导线(6)的一段连接在光电催化燃料电池反应器A的阴极(5)上，通过电阻(9)后导线(6)再与光电催化反应器B的阳极(4)相连接，两个装有紫外灯(I)的竖型灯架分别放置在光电催化燃料电池反应器A和光电催化反应器B的石英玻璃槽(2)的外侧面；其中，所述的光催化燃料电池反应器A的电解液(7)为O. 05 mol/L的こ酸和O. Imol/L的Na2SO4，光电催化反应器B的电解液(7)为pH 4.5,0.01 mol/L的Na2SO4。
2.根据权利要求I所述的光催化燃料电池为电源的光电催化反应器，其特征在于所述的紫外灯(I)功率为24 W，光强为2. O mWcm—2，波长为254 mm。
全文摘要
本发明提供一种以光催化燃料电池为电源的光电催化反应器，本发明的目的在于提供一种以光催化燃料电池为电源的光电催化反应器，该反应器由光燃料电池反应器A和光电催化反应器B通过导线和一个10Ω电阻连接制成。该反应器在保证TiO2量子产率增加的同时又减少额外电能的使用。光燃料电池反应器A以TiO2纳米管为阳极，并用24W紫外灯对其进行照射，铂片作为阴极，以0.01mol/L的Na2SO4作为电解液。光电催化反应器B以TiO2纳米管作为阳极，用24W紫外灯对其进行照射，铂片作为阴极，以0.05mol/L的乙酸和0.1mol/L的Na2SO4作为电解液，接通光催化燃料电池。本发明的反应器具有大大提高TiO2的量子产率，从而加快TiO2光催化降解有机污染物的过程光电催化相比光催化速度提高两倍，节能、安全高效、无有害物质产生。
文档编号C02F1/461GK102701316SQ20121014095
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月9日 优先权日2012年5月9日
发明者张文龙, 李轶, 王大伟, 王晴 申请人:河海大学