一种光催化燃料电池及其制备方法和应用

本发明涉及燃料电池和光催化，具体涉及一种光催化燃料电池及其制备方法和应用。

背景技术：

1、当今社会，随着人口增长与工业发展，工业废水与生活污水被大量排放，其中含有大量难降解的有机污染物，对自然环境与生态安全带来严重的污染和破坏。然而，传统的污水处理技术已经难以满足现今社会对污水处理的需求，因此发展更经济有效的废水治理技术迫在眉睫。近年来新兴的光催化燃料电池(photocatalyticfuelcell，pfc)技术将半导体光催化与燃料电池原理巧妙结合，有机污染物氧化分解的同时，可以将化学能转换为电能，被认为是废水资源化利用重要发展方向之一。

2、pfc装置由光阳极、阴极、外电路、电解液等部件组成。当半导体光阳极吸收入射光子能量大于禁带宽度时，光生电子被激发进入导带，并在价带中留下光生空穴。光生空穴具有较强的氧化性，在阳极侧与h2o或oh-反应生成强氧化性·oh，使有机物分子被氧化降解；由于阴极电势高于阳极电势，电子由阳极经外电路自发移动至阴极并产生电能，在有氧条件下电子与o2反应生成·o2-、h2o2等物质。因此，光阳极材料的光吸收性能以及光生载流子的分离效率影响了体系的光能利用与光电转换效率。同时，pfc系统中反应物分子或离子在电池腔室内、以及光电极表面的传质过程也对反应速率有直接影响。

3、但是，目前传统的光催化燃料电池光阳极材料还存在着光能利用率低、催化位点数目少、位点分布不均、反应活性差等问题；电池设计仍存在结构复杂、传质阻力大等缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种光催化燃料电池及其制备方法和应用，本发明通过改进光阳极材料的微观结构来提升反应活性；可以通过优化光催化燃料电池体系的设计来提升其传质效率，从而显著加快污染物分子的降解速率并提高产电性能。本发明能够解决现有光催化燃料电池光能利用率低、反应活性差、以及体系传质阻力大的技术问题。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种光催化燃料电池，包括光阳极、阴极和电解液；所述光阳极为二氧化钛-碳纤维布复合材料；所述二氧化钛-碳纤维布复合材料包括碳纤维布以及负载于所述碳纤维布上的二氧化钛纳米棒。

4、优选地，所述二氧化钛纳米棒的直径为50～100nm，长度为700～1000nm。

5、优选地，所述二氧化钛-碳纤维布复合材料的制备方法包括：

6、将钛酸四丁酯溶于异丙醇中，得到钛酸四丁酯异丙醇溶液；

7、将碳纤维布浸泡在所述钛酸四丁酯异丙醇溶液中，取出后干燥，得到复合材料前驱体；

8、将所述复合材料前驱体进行退火处理，得到负载二氧化钛籽晶层的碳纤维布复合材料；

9、将所述负载二氧化钛籽晶层的碳纤维布复合材料置于钛酸四丁酯盐酸水溶液中，进行水热反应，得到二氧化钛纳米棒-碳纤维布复合材料前驱体；

10、将所述二氧化钛纳米棒-碳纤维布复合材料前驱体进行烧结处理，得到二氧化钛-碳纤维布复合材料。

11、优选地，所述退火处理的温度为300～500℃，保温时间为1～3h；由室温升温至所述退火处理的温度的升温速率为1～4℃/min。

12、优选地，所述水热反应的温度为120～180℃；所述水热反应的时间为5～10h。

13、优选地，所述烧结处理的温度为400～550℃，保温时间为1～3h；由室温升温至所述烧结处理的温度的升温速率为2～5℃/min。

14、优选地，所述阴极为铂碳-质子交换膜-碳纸复合催化层。

15、优选地，所述电解液为溶解有机物的电解质水溶液。

16、本发明提供了上述技术方案所述光催化燃料电池的制备方法，包括以下步骤：

17、将所述光阳极和阴极依次叠放，进行密封紧固，得到电池器件；

18、在所述电池器件中注入电解液，得到光催化燃料电池。

19、本发明提供了上述技术方案所述光催化燃料电池或上述技术方案所述制备方法制备得到的光催化燃料电池在降解有机物中的应用。

20、本发明提供了一种光催化燃料电池，本发明提供的光催化燃料电池可以将有机污染物化学能转换为电能，能够解决现有光催化燃料电池光能利用率低、反应活性差、以及体系传质阻力大的技术问题。

21、本发明提供的光催化燃料电池中光阳极为二氧化钛-碳纤维布复合材料，碳纤维布表面的二氧化钛纳米棒有助于增强光吸收、减少光散射，与膜状平面结构光阳极相比可以增加比表面积，具有更多活性位点，从而提高光催化反应活性。本发明所述光阳极以碳纤维布为基底，具有较大的比表面积，并且三维分布的二氧化钛纳米棒活性位点较多，有机物分子可以更容易地被二氧化钛半导体吸附，提高有机物分子传质效率。

技术特征：

1.一种光催化燃料电池，其特征在于，包括光阳极、阴极和电解液；所述光阳极为二氧化钛-碳纤维布复合材料；所述二氧化钛-碳纤维布复合材料包括碳纤维布以及负载于所述碳纤维布上的二氧化钛纳米棒。

2.根据权利要求1所述的光催化燃料电池，其特征在于，所述二氧化钛纳米棒的直径为50～100nm，长度为700～1000nm。

3.根据权利要求1或2所述的光催化燃料电池，其特征在于，所述二氧化钛-碳纤维布复合材料的制备方法包括：

4.根据权利要求3所述的光催化燃料电池，其特征在于，所述退火处理的温度为300～500℃，保温时间为1～3h；由室温升温至所述退火处理的温度的升温速率为1～4℃/min。

5.根据权利要求3所述的光催化燃料电池，其特征在于，所述水热反应的温度为120～180℃；所述水热反应的时间为5～10h。

6.根据权利要求3所述的光催化燃料电池，其特征在于，所述烧结处理的温度为400～550℃，保温时间为1～3h；由室温升温至所述烧结处理的温度的升温速率为2～5℃/min。

7.根据权利要求1所述的光催化燃料电池，其特征在于，所述阴极为铂碳-质子交换膜-碳纸复合催化层。

8.根据权利要求1所述的光催化燃料电池，其特征在于，所述电解液为溶解有机物的电解质水溶液。

9.权利要求1～8任一项所述光催化燃料电池的制备方法，包括以下步骤：

10.权利要求1～8任一项所述光催化燃料电池或权利要求9所述制备方法制备得到的光催化燃料电池在降解有机物中的应用。

技术总结
本发明提供了一种光催化燃料电池及其制备方法和应用，涉及燃料电池和光催化技术领域。本发明提供的光催化燃料电池，包括光阳极、阴极和电解液；所述光阳极为二氧化钛‑碳纤维布复合材料；所述二氧化钛‑碳纤维布复合材料包括碳纤维布以及负载于所述碳纤维布上的二氧化钛纳米棒。本发明提供的光催化燃料电池可以将有机污染物化学能转换为电能，能够解决现有光催化燃料电池光能利用率低、反应活性差、以及体系传质阻力大的技术问题。

技术研发人员：刘建国,孙鹏,王子源,施平原
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15