光催化燃料電池研究進(jìn)展

*羅景曦

(寶雞中學(xué) 陜西 721000)

光催化燃料電池研究進(jìn)展

*羅景曦

(寶雞中學(xué) 陜西 721000)

環(huán)境污染物的能源和資源化利用是當(dāng)前研究的熱點.半導(dǎo)體光催化劑與光催化廢水燃料電池的結(jié)合實現(xiàn)了污染物的高效去除和電能的產(chǎn)生.本文詳細(xì)介紹了半導(dǎo)體光催化反應(yīng)原理和應(yīng)用現(xiàn)狀,光催化廢水燃料電池的基本運行結(jié)構(gòu)以及決定電池性能的光陽極材料和功能性陰極材料的研究現(xiàn)狀.

半導(dǎo)體光催化反應(yīng);光催化廢水燃料電池;光陽極;功能性陰極

1.引言

工業(yè)化的不斷發(fā)展帶來的是人類社會對資源和能源需求逐漸增大,出現(xiàn)了眾多類型的環(huán)境污染問題.其中水污染問題愈發(fā)嚴(yán)重,污水處理工藝是解決水污染問題的重要途徑.傳統(tǒng)污水處理以去除污染物作為目的,忽略了水中污染物所蘊含的化學(xué)能.經(jīng)調(diào)查,每年因有機生物廢棄物排放造成的能量損耗可達(dá)到全球總量的三分之一.因此,研發(fā)一種能夠回收污水中化學(xué)能的清潔去污技術(shù)對于資源和能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義.太陽能是一種眾所周知的新能源,它具有清潔、可再生、豐富等優(yōu)點.在利用和轉(zhuǎn)化太陽能的過程中,光催化劑扮演重要角色.半導(dǎo)體基催化劑就是其中一種簡單、清潔、經(jīng)濟、實用的光催化劑.以半導(dǎo)體光催化劑為基礎(chǔ)的光催化廢水燃料電池體系充分利用太陽能和污染物的化學(xué)能產(chǎn)生電能.同時結(jié)合太陽能豐富、清潔及半導(dǎo)體催化劑來源廣泛、物化性質(zhì)穩(wěn)定、電子傳遞迅速、無二次污染的優(yōu)勢,光催化廢水燃料電池技術(shù)成為十分具有應(yīng)用前景的污水處理技術(shù).

2.半導(dǎo)體光催化劑

半導(dǎo)體光催化反應(yīng)機理

根據(jù)材料的不同能帶結(jié)構(gòu),可將材料分為絕緣體材料、半導(dǎo)體材料和導(dǎo)體材料.導(dǎo)體材料由于存在空的能帶,價電子能夠自由移動從而使其具有導(dǎo)電的性能.絕緣體價電子處于滿帶,導(dǎo)帶全空且禁帶寬度很大.因此即使在外界較大刺激下價電子雖獲得能量也難以從滿帶躍遷至導(dǎo)帶上,不能導(dǎo)電.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間,與導(dǎo)體、絕緣體有相似的能帶結(jié)構(gòu),存在一條能量寬度為ΔEg的禁帶在價帶(VB)和導(dǎo)帶(CB)之間.半導(dǎo)體的價帶在未被激發(fā)之前,電子充滿價帶,導(dǎo)帶為空帶,并且半導(dǎo)體的禁帶寬度比絕緣體的要小得多.光照射半導(dǎo)體催化劑后,當(dāng)入射光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度,半導(dǎo)體吸收光子的能量使價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶,在價帶中留下帶正電的空穴,產(chǎn)生等量的電子與空穴,產(chǎn)生的空穴本身具有氧化性.同時溶液中的H2O和OH-與空穴作用生成具有強氧化性的羥基自由基或者與氧氣反應(yīng)生成超氧離子.有機污染物則被這些具有氧化性的物質(zhì)降解.因半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)缺少連續(xù)區(qū),電子與空穴保留時間相對較長,使得自由電子可以通過電場或擴散與吸附在半導(dǎo)體光催化劑表面的物質(zhì)充分發(fā)生氧化還原反應(yīng).也可以通過外部回路產(chǎn)生電能.電子和空穴的復(fù)合率的高低決定著半導(dǎo)體光催化劑的量子效率,即復(fù)合率高,量子效率低,復(fù)合率低,量子效率高.

3.基于半導(dǎo)體光催化劑的光催化廢水燃料電池

(1)光催化廢水燃料電池的基本結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的光催化廢水燃料電池系統(tǒng)包括以金屬半導(dǎo)體為材料的陽極、輔助陰極和外部回路.

光催化廢水燃料電池使用導(dǎo)線連接,半導(dǎo)體光陽極材料的催化作用時核心作用,它的原理是金屬半導(dǎo)體在光激發(fā)下產(chǎn)生空穴和電子,電子通過外部電路傳至陰極,進(jìn)一步發(fā)生還原反應(yīng)被消耗,空穴發(fā)揮氧化降解體系中的有機污染物,回收其中的化學(xué)能.在這個反應(yīng)過程中,輸入的能量為清潔的太陽能,產(chǎn)出為電能,實現(xiàn)了污水處理的資源化.通過外部回路傳導(dǎo)產(chǎn)生電能.

光催化廢水燃料電池最早由Kaneko提出,由TiO2薄膜光陽極和Pt陰極組成,該電池體系的驅(qū)動力來自紫外光的光能,采用曝氣方法增強電子在陰極的利用能力.研究表明,許多有機化合物能夠充當(dāng)該電池體系的燃料,如多糖、蛋白質(zhì)、纖維素、木質(zhì)素、甲醇、乙醇等.由于該電池體系的鉑電極對氧氣的吸附能力有限,降低了它對陰極電子的吸收轉(zhuǎn)化能力,之后用鉑黑電極作為燃料電池的陰極,增加了電極反應(yīng)速率,促使反應(yīng)平衡,提高了光催化廢水燃料電池的性能.近年來,有關(guān)光催化廢水燃料電池的研究主要從光陽極材料和功能性陰極材料兩方面開展.

(2)光陽極材料

①TiO2納米管

從光催化廢水燃料電池的運行原理中可以看出,光陽極材料是制約燃料電池污染物處理性能和產(chǎn)電性能的關(guān)鍵.Liu等人最早將TiO2納米管陣列這一新型電極應(yīng)用于光催化廢水燃料電池的設(shè)計與組裝中.結(jié)果表明,TiO2納米管陣列電極材料能克服薄膜材料的缺陷,提高陽極比表面積、穩(wěn)定性和光電響應(yīng)效率.該電池系統(tǒng)已成功應(yīng)用于難降解有機污染物比如苯酚、苯胺等的去除,在降解過程中伴隨著穩(wěn)定的電能回收.光催化燃料電池主要依賴TiO2光陽極材料,然而TiO2對于太陽能的利用率較低,未能擺脫對于紫外光的依賴.

②CdS/TiO2

將半導(dǎo)體CdS與TiO2二者進(jìn)行復(fù)合,可以提高半導(dǎo)體光激發(fā)后的電子與空穴的分離效果.擴展TiO2的光譜響應(yīng)范圍.在波長大于387nm的光子輻射下,由于光子能量沒有達(dá)到TiO2的激發(fā)光子能量值,但卻可以激發(fā)CdS,使其發(fā)生電子躍遷并遷移至TiO2的導(dǎo)帶上,在CdS的價帶上相應(yīng)地產(chǎn)生了空穴.這種電子從CdS向TiO2的遷移在擴寬TiO2光譜響應(yīng)范圍的同時,使得光生載流子的復(fù)合率有效降低可以促使更多地電子避免被空穴再次結(jié)合,提高CdS/TiO2的產(chǎn)電效率.

③Cu2O/TiO2

Cu2O具備低毒、廉價、豐度大、容易制備、吸收可見光以及能帶隙可調(diào)等優(yōu)越性,在太陽能的轉(zhuǎn)化方面表現(xiàn)出巨大的潛在應(yīng)用價值.Cu2O的價帶和導(dǎo)帶位置都比TiO2高,可與TiO2組成復(fù)合光催化劑從而提高光催化效率.Cu2O為P型半導(dǎo)體,TiO2為n型半導(dǎo)體,其復(fù)合后會形成p-n異質(zhì)結(jié).在p-n異質(zhì)結(jié)中,會形成一個內(nèi)建電場,內(nèi)部的電子由P型半導(dǎo)體Cu2O向n型半導(dǎo)體TiO2遷移,空穴則向反方向遷移.當(dāng)受到光的激發(fā),兩種半導(dǎo)體價帶的電子都獲得能量由半導(dǎo)體的價帶遷移到導(dǎo)帶,由于p型半導(dǎo)體Cu2O的導(dǎo)帶與價帶都比TiO2高,這就使得Cu2O導(dǎo)帶上的電子定向地向TiO2的導(dǎo)帶遷移,在TiO2的導(dǎo)帶聚集,遷移到TiO2導(dǎo)帶上的電子會被水中的溶解氧等氧化性物質(zhì)捕獲發(fā)生還原反應(yīng).空穴由TiO2的價帶向Cu2O的價帶聚集,可直接將吸附在Cu2O表面的有機物氧化,或者先氧化吸附于Cu2O表面的OH-和H2O,生成具有很強氧化性的-OH自由基,進(jìn)一步氧化水中的有機物.

4.結(jié)論與展望

以半導(dǎo)體光催化反應(yīng)原理為基礎(chǔ)的光催化廢水燃料電池體系充分利用了污水中的化學(xué)能,并產(chǎn)生了電能,實現(xiàn)了廢水資源化,而且整體處理過程清潔無污染.但是在光催化廢水燃料電池未來的研究發(fā)展中仍需要解決光陽極材料對TiO2的依賴性強,可見光利用性差等問題.雖然各種各樣的半導(dǎo)體復(fù)合電極一直在發(fā)展,但如何提高量子效率,仍是研究的重中之重.除此之外,陰極材料,作為影響光催化燃料電池的一方面,也應(yīng)該未來的研究中進(jìn)行重點發(fā)展.

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羅景曦,女,寶雞中學(xué);研究方向:環(huán)境科學(xué)與工程.

Research Progress of Photocatalytic Fuel Cell

Luo Jingxi
(Baoji Middle School, Shanxi, 721000)

The energy and resource utilization of environmental pollutants is the focus of current research. The combination of semiconductor photocatalyst and photocatalytic wastewater fuel cell has realized the efficient removal of pollutants and the generation of electrical energy. This paper elaborates the principle and application status of semiconductor photocatalytic reaction, the basic operating structure of photocatalytic wastewater fuel cell, the research status of the optical anode materials and functional cathode materials which determine the performance of the battery.

semiconductor photocatalytic reaction;photocatalytic wastewater fuel cell;optical anode;functional cathode

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