本文選題：光催化廢水燃料電池　切入點(diǎn)：WO3/W光陽極　出處：《上海交通大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：廢水資源化是現(xiàn)階段水污染治理研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。開發(fā)有效的污染物降解工藝并同時回收其中蘊(yùn)含豐富的化學(xué)能是實(shí)現(xiàn)廢水資源化的有效途徑。微生物燃料電池是目前報道較多的廢水資源化技術(shù)，但仍然受限于低效率，工藝復(fù)雜等缺陷。本文基于費(fèi)米能級匹配的原理，提出了使用光陽極與光陰極構(gòu)建雙極可見光響應(yīng)型光催化廢水燃料電池的新思路。論文首先提出了一種制備可見光響應(yīng)的鎢基三氧化鎢（WO3/W）光陽極的新方法，在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)選與WO3/W光陽極能級匹配的可見光響應(yīng)型光陰極—Cu2O/Cu光陰極、Pt修飾Si太陽能電池片（Pt/PVC）光陰極，成功地構(gòu)建了雙極可見光響應(yīng)型光催化電池體系，在實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物降解的同時，回收有機(jī)污染物的化學(xué)能，同時還可用于光催化自發(fā)分解水產(chǎn)氫。 金屬鎢基三氧化鎢（WO3/W）納米陣列有序結(jié)構(gòu)光陽極材料的制備。以金屬鎢片為基底材料，將金屬鎢片經(jīng)氧化預(yù)處理后在表面生成WO3薄層，作為水熱反應(yīng)的晶種，通過水熱反應(yīng)制備金屬鎢基WO3納米陣列結(jié)構(gòu)光陽極材料。水熱反應(yīng)體系中，以PEG（PEG）作為導(dǎo)向劑，以酸化的Na2WO4溶液為水熱反應(yīng)液.，通過水熱反應(yīng)時間的控制可以分別得到具有納米條陣列、納米片陣列和納米塊結(jié)構(gòu)的WO3/W光陽極。在水熱反應(yīng)過程中，PEG導(dǎo)向的機(jī)制是通過長鏈PEG大分子在WO3晶體的溶膠表面吸附，控制晶體生長的各向同性，使得晶體生長整齊有序。由于晶種是通過金屬鎢氧化形成的，因此晶種與金屬鎢基底以及有序生長的晶體之間保持了自然均質(zhì)化的結(jié)合，并能表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和光電性能。由此制備的WO3/W光陽極材料禁帶寬度為2.6eV，能夠吸收波長為480nm的可見光，中性溶液中光電流密度可達(dá)2.35mA/cm2，表現(xiàn)出良好的分解水制氫與降解有機(jī)污染物的性能。 雙極可見光響應(yīng)型光催化廢水燃料電池—WO3/W-Cu2O/Cu電池的設(shè)計與應(yīng)用�；趎型半導(dǎo)體WO3的費(fèi)米能級高于p型半導(dǎo)體Cu2O的特點(diǎn)，以可見光響應(yīng)型WO3/W為光陽極，以可見光響應(yīng)型Cu2O為光陰極，構(gòu)建了雙極均可進(jìn)行可見光響應(yīng)的光催化廢水燃料電池，該電池在可見光光照的條件下，WO3/W光陽極的電勢高于Cu2O/Cu光陰極的電勢，從而形成電勢差自發(fā)地驅(qū)動WO3/W光陽極的光生電子轉(zhuǎn)移至Cu2O/Cu光陰極，在外電路形成電流的同時分離出WO3/W光陽極強(qiáng)氧化性的空穴，同時實(shí)現(xiàn)降解有機(jī)物和對外發(fā)電。該體系的短路電流可達(dá)205μA/cm2，能夠?qū)崿F(xiàn)對有機(jī)污染物尤其是難降解有機(jī)污染物包括苯酚、羅丹明B和剛果紅的處理。 雙極可見光響應(yīng)型光催化電化學(xué)池—WO3/W-Pt/PVC電化學(xué)池自發(fā)分解水產(chǎn)氫性能研究。為了克服光陰極Cu2O/Cu穩(wěn)定性差的問題，基于商品化Si電池片良好的穩(wěn)定性和較高的光電活性，經(jīng)過處理與修飾，設(shè)計了性能更為優(yōu)異的且穩(wěn)定的Pt/PVC光陰極，能夠滿足長時間穩(wěn)定運(yùn)行的要求。利用Pt/PVC光陰極與WO3/W光陽極費(fèi)米能級匹配的特點(diǎn)，構(gòu)建了可以進(jìn)行光催化自發(fā)分解水產(chǎn)氫的電化學(xué)池，產(chǎn)氫速率可達(dá)0.204μmol/hcm2。 雙極可見光響應(yīng)型光催化廢水燃料電池—曝氣WO3/W-Pt/PVC電池降解有機(jī)物與發(fā)電研究。將雙極可見光響應(yīng)型光催化電化學(xué)池—WO3/W-Pt/PVC電化學(xué)池應(yīng)用于廢水處理和發(fā)電，，并由此構(gòu)建了雙極可見光響應(yīng)型曝氣WO3/W-Pt/PVC光催化廢水燃料電池。研究表明，通過曝氣，能夠改變Pt/PVC光陰極光生電子的消耗方式，使得Pt/PVC光陰極的電極反應(yīng)由還原H+析出H2轉(zhuǎn)變?yōu)檫�原O2生成H2O，由此在Pt/PVC光陰極表面分離出更多的光生空穴用于吸引WO3/W光陽極的光生電子。這一效果有助于WO3/W光陽極表面分離出更多的活性光生空穴用于有機(jī)物降解。結(jié)果表明WO3/W-Pt/PVC電池的短路電流穩(wěn)定在350μA/cm2，較WO3/W-Cu2O/Cu電池體系提高了70%，有機(jī)物降解試驗(yàn)表明經(jīng)過90min后，濃度為5mg/L的亞甲基藍(lán)的降解效率達(dá)到100%，且整個過程中體系的電流密度能夠保持穩(wěn)定。
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【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：X703;TM911.45

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1673229