一种基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池制备方法与流程

本发明具体涉及一种基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池制备方法，属于有机废水处理。

背景技术：

1、随着工业生产的加速发展，与之伴随而来的大量有机污染物进入水环境中造成的环境污染也日趋严重。由于我们希望在废水治理同时，还要坚持可持续发展理念，不仅要追求较高去除效率的环境治理目标，还要探索较低处理成本、变废为宝等更高层次的环境经济效益目标。

2、光催化燃料电池这种有绿色前景的新能源技术应运而生。这项技术不同于传统的废水处理方法，它可以从废水中回收化学能并转变为电能。相比于具有同样能力的微生物燃料电池而言，它还具有较高稳定性、简单可操作性和迅速启动运行等优点，但是传统的光催化燃料电池仍然存在明显的问题。比如以tio2-pt为例，一方面该体系需要在紫外光的条件下才能自发驱动反应发生，另一方面价格昂贵的铂对电极也大大限制了其在现实中的广泛应用。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明旨在在高效利用太阳能情况，建立一种过硫酸盐和双光电极光催化燃料电池耦合的体系，在该体系中同时实现有机废水的高效降解及自发产能的效果。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池制备方法，步骤包括如下：

3、一、wo3光电极的制备：将0.4g na2wo4·2h2o与0.2g(nh4)2c2o4溶解在33ml的去离子水中，向此溶液中加入9 ml盐酸（37%）并搅拌10分钟，然后再向该混合溶液中加入8ml双氧水（30%）并搅拌10分钟，最后与30ml无水乙醇溶液混合得到前驱体溶液；将2×4cm2的fto导电基质垂直放入前驱体溶液中，在85℃条件下水热反应进行2小时后得到样品烘干后在500℃下煅烧2小时，升温速率为1℃/min，最后得到的样品即为wo3光阳极；

4、二、cu2o光电极的制备：将3.2gcuso4和33.5g乳酸溶解在200ml去离子水中并搅拌1h，用1m的koh将该溶液ph调至12，得到的溶液作为电沉积的电解质；在三电极电化学体系下，以fto导电基质作为工作电极，在电位为-0.37 v（vs ag/agcl）和温度为55℃的电解质条件下进行电沉积反应30分钟，最后得到的样品即为cu2o光阴极；

5、三、基于过硫酸盐的双光电极光催化燃料电池的反应池的组建：将wo3光电极和cu2o光电极分别放入含有0.5m硫酸钠和10mg/l的4-氯酚的石英反应池中；在cu2o光阴极池中加入1.0 mm的过硫酸盐，以配有am1.5滤光片的300w氙灯作为模拟太阳光垂直照射两个反应池中的光电极，反应时间为1小时并伴有持续搅拌。

6、优选的，所述燃料电池由拥有太阳光响应的光电极组成，分别为wo3光阳极和cu2o光阴极。

7、进一步优选的，步骤三中所述的过硫酸盐为过硫酸氢钾。

8、进一步优选的，所述的fto导电基质作为载体，用于wo3和cu2o在上面原位生长制备成膜电极。

9、进一步优选的，所述的以wo3光电极作为光阳极，以cu2o光电极作为光阴极。

10、进一步优选的，所述的反应池为石英反应池，两个反应池之间相互贯通。

11、进一步优选的，所述的模拟太阳光光源由配有am1.5滤光片的300w氙灯提供，光照密度为100mw/cm2。

12、进一步优选的，所述光源开启后需同时垂直照射光阳极和光阴极的电极表面。

13、进一步优选的，整个光催化染料电池的反应过程为：

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19、本发明电池设计原理：过硫酸盐可以在紫外光、超声、热、碳基材料以及过度金属离子等作用下发生活化作用产生硫酸根自由基（so4·-）或非自由路径下的物种，可广泛氧化降解有机污染物。

20、光阴极活化产生的so4·-的寿命比光阳极产生的oh·寿命高，有助于自由基反应从电极表面进一步向外扩散。

21、在基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池的体系下，通过光催化燃料电池和过硫酸盐的耦合，在光阴极活化产生so4·-和表面复合物，加速体系内的氧化还原反应发生，提高光催化燃料电池对有机污染物的去除速率。

22、在基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池的体系下，当在光阴极中加入过硫酸盐后，可以作为阴极的电子受体来提高整个电路的开路电位，增强电子转移，提高回收电能的能力。使得反应过程中速率限制步骤发生了改变，由原来的光阴极上hvb2+的数量限制转变为光阳极上的ecb1-电子转移速率限制，增强体系回收电能的效果。

23、本发明提供了一种基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池制备方法。具备以下有益效果：

24、（1）本发明使用过硫酸盐作为一种电子受体可以改变阴极的热力学性质，从而影响提高体系的开路电位来增加电能的回收。并且过硫酸盐可以在光、电、超声波、碳基材料以及各种过渡金属离子的作用下活化，在自由基路径下产生硫酸根自由基或在非自由基路径下形成具有较高活性的表面复合物来降解处理有机污染物，提高降解效率。综上所述，将过硫酸盐和双光电极光催化燃料电池耦合，即充分发挥了双光电极光催化燃料电池对太阳能的利用，又能达到高效降解有机污染物和电能回收的目的。

25、（2）本发明采用具有太阳光响应的双光电极体系（wo3-cu2o），不仅可以充分利用太阳能，而且非贵金属的使用减少了光催化燃料电池的运行成本。

26、（3）本发明采用具有太阳光响应的光阳极和光阴极，充分的利用太阳光实现对双光电极的驱动，无需额外再添加能量。

27、（4）本发明避免传统贵金属铂电极的使用，降低了使用成本，可以尽可能的扩大使用规模。

28、（5）本发明采用水热法和电沉积法对光阳极和光阴极进行了制备，制备方法简单可控且电极稳定性高，方便大规模生产利用。

29、（6）本发明引入的过硫酸盐可以在cu2o光阴极表面发生自由基和非自由基路径活化，产生具有较高活性的活性物种硫酸根自由基（so4•-）和表面复合物，最终强化有机污染物的降解。

30、（7）本发明在光照稳定的条件下，可有效处理毒性强且难降解的有机污染物直至最后矿化，无其它有毒有害物质产生，运行稳定，占地面积小，操作简单。

技术特征：

1.一种基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池制备方法，其特征在于：所述燃料电池由拥有太阳光响应的光电极组成，分别为wo3光阳极和cu2o光阴极。

3.根据权利要求1所述的基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池制备方法，其特征在于：步骤三中所述的过硫酸盐为过硫酸氢钾。

4.根据权利要求1或3所述的基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池制备方法，其特征在于：所述的fto导电基质作为载体，用于wo3和cu2o在上面原位生长制备成膜电极。

5.根据权利要求4所述的基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池制备方法，其特征在于：所述的以wo3光电极作为光阳极，以cu2o光电极作为光阴极。

6.根据权利要求5所述的基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池制备方法，其特征在于：所述的反应池为石英反应池，两个反应池之间相互贯通。

7.根据权利要求6所述的基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池制备方法，其特征在于：所述的模拟太阳光光源由配有am1.5滤光片的300w氙灯提供，光照密度为100mw/cm2。

8.根据权利要求6所述的基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池制备方法，其特征在于：所述光源开启后需同时垂直照射光阳极和光阴极的电极表面。

9.根据权利要求1所述的基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池制备方法，其特征在于：整个光催化染料电池的反应过程为：

技术总结本发明涉及一种基于过硫酸盐强化污染物降解和回收电能的双光电极光催化燃料电池制备方法，燃料电池主要由拥有太阳光响应的光电极组成，分别为WO<subgt;3</subgt;光阳极和Cu<subgt;2</subgt;O光阴极。通过加入作为光阴极的电子受体过硫酸盐来提高光催化燃料电池的开路电位，减少光生电子和空穴的复合，从而达到提高回收电能的目的。同时过硫酸盐在光阴极上通过自由基与非自由基路径活化产生的活性物种，可以有效地对有机污染物进行降解，进而解决反应速率慢的问题。本设计方案无需外加能量，仅利用模拟太阳光就可驱动反应发生，强化废水处理的同时又可以回收电能，而且相比于传统光催化燃料电池，光电阴极取代了价格昂贵的铂对电极，因此该系统在现实中有着大规模应用的潜力，以及更低的处理成本，可做到循环经济和持续发展。技术研发人员：沈敏,李晶受保护的技术使用者：江苏美淼环保科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/2