光催化燃料电池研究进展

*罗景曦

(宝鸡中学 陕西 721000)

光催化燃料电池研究进展

*罗景曦

(宝鸡中学 陕西 721000)

环境污染物的能源和资源化利用是当前研究的热点.半导体光催化剂与光催化废水燃料电池的结合实现了污染物的高效去除和电能的产生.本文详细介绍了半导体光催化反应原理和应用现状,光催化废水燃料电池的基本运行结构以及决定电池性能的光阳极材料和功能性阴极材料的研究现状.

半导体光催化反应;光催化废水燃料电池;光阳极;功能性阴极

1.引言

工业化的不断发展带来的是人类社会对资源和能源需求逐渐增大,出现了众多类型的环境污染问题.其中水污染问题愈发严重,污水处理工艺是解决水污染问题的重要途径.传统污水处理以去除污染物作为目的,忽略了水中污染物所蕴含的化学能.经调查,每年因有机生物废弃物排放造成的能量损耗可达到全球总量的三分之一.因此,研发一种能够回收污水中化学能的清洁去污技术对于资源和能源的可持续发展具有重要的意义.太阳能是一种众所周知的新能源,它具有清洁、可再生、丰富等优点.在利用和转化太阳能的过程中,光催化剂扮演重要角色.半导体基催化剂就是其中一种简单、清洁、经济、实用的光催化剂.以半导体光催化剂为基础的光催化废水燃料电池体系充分利用太阳能和污染物的化学能产生电能.同时结合太阳能丰富、清洁及半导体催化剂来源广泛、物化性质稳定、电子传递迅速、无二次污染的优势,光催化废水燃料电池技术成为十分具有应用前景的污水处理技术.

2.半导体光催化剂

半导体光催化反应机理

根据材料的不同能带结构,可将材料分为绝缘体材料、半导体材料和导体材料.导体材料由于存在空的能带,价电子能够自由移动从而使其具有导电的性能.绝缘体价电子处于满带,导带全空且禁带宽度很大.因此即使在外界较大刺激下价电子虽获得能量也难以从满带跃迁至导带上,不能导电.半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间,与导体、绝缘体有相似的能带结构,存在一条能量宽度为ΔEg的禁带在价带(VB)和导带(CB)之间.半导体的价带在未被激发之前,电子充满价带,导带为空带,并且半导体的禁带宽度比绝缘体的要小得多.光照射半导体催化剂后,当入射光子的能量大于半导体的禁带宽度,半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带,在价带中留下带正电的空穴,产生等量的电子与空穴,产生的空穴本身具有氧化性.同时溶液中的H2O和OH-与空穴作用生成具有强氧化性的羟基自由基或者与氧气反应生成超氧离子.有机污染物则被这些具有氧化性的物质降解.因半导体能带结构缺少连续区,电子与空穴保留时间相对较长,使得自由电子可以通过电场或扩散与吸附在半导体光催化剂表面的物质充分发生氧化还原反应.也可以通过外部回路产生电能.电子和空穴的复合率的高低决定着半导体光催化剂的量子效率,即复合率高,量子效率低,复合率低,量子效率高.

3.基于半导体光催化剂的光催化废水燃料电池

(1)光催化废水燃料电池的基本结构

传统的光催化废水燃料电池系统包括以金属半导体为材料的阳极、辅助阴极和外部回路.

光催化废水燃料电池使用导线连接,半导体光阳极材料的催化作用时核心作用,它的原理是金属半导体在光激发下产生空穴和电子,电子通过外部电路传至阴极,进一步发生还原反应被消耗,空穴发挥氧化降解体系中的有机污染物,回收其中的化学能.在这个反应过程中,输入的能量为清洁的太阳能,产出为电能,实现了污水处理的资源化.通过外部回路传导产生电能.

光催化废水燃料电池最早由Kaneko提出,由TiO2薄膜光阳极和Pt阴极组成,该电池体系的驱动力来自紫外光的光能,采用曝气方法增强电子在阴极的利用能力.研究表明,许多有机化合物能够充当该电池体系的燃料,如多糖、蛋白质、纤维素、木质素、甲醇、乙醇等.由于该电池体系的铂电极对氧气的吸附能力有限,降低了它对阴极电子的吸收转化能力,之后用铂黑电极作为燃料电池的阴极,增加了电极反应速率,促使反应平衡,提高了光催化废水燃料电池的性能.近年来,有关光催化废水燃料电池的研究主要从光阳极材料和功能性阴极材料两方面开展.

(2)光阳极材料

①TiO2纳米管

从光催化废水燃料电池的运行原理中可以看出,光阳极材料是制约燃料电池污染物处理性能和产电性能的关键.Liu等人最早将TiO2纳米管阵列这一新型电极应用于光催化废水燃料电池的设计与组装中.结果表明,TiO2纳米管阵列电极材料能克服薄膜材料的缺陷,提高阳极比表面积、稳定性和光电响应效率.该电池系统已成功应用于难降解有机污染物比如苯酚、苯胺等的去除,在降解过程中伴随着稳定的电能回收.光催化燃料电池主要依赖TiO2光阳极材料,然而TiO2对于太阳能的利用率较低,未能摆脱对于紫外光的依赖.

②CdS/TiO2

将半导体CdS与TiO2二者进行复合,可以提高半导体光激发后的电子与空穴的分离效果.扩展TiO2的光谱响应范围.在波长大于387nm的光子辐射下,由于光子能量没有达到TiO2的激发光子能量值,但却可以激发CdS,使其发生电子跃迁并迁移至TiO2的导带上,在CdS的价带上相应地产生了空穴.这种电子从CdS向TiO2的迁移在扩宽TiO2光谱响应范围的同时,使得光生载流子的复合率有效降低可以促使更多地电子避免被空穴再次结合,提高CdS/TiO2的产电效率.

③Cu2O/TiO2

Cu2O具备低毒、廉价、丰度大、容易制备、吸收可见光以及能带隙可调等优越性,在太阳能的转化方面表现出巨大的潜在应用价值.Cu2O的价带和导带位置都比TiO2高,可与TiO2组成复合光催化剂从而提高光催化效率.Cu2O为P型半导体,TiO2为n型半导体,其复合后会形成p-n异质结.在p-n异质结中,会形成一个内建电场,内部的电子由P型半导体Cu2O向n型半导体TiO2迁移,空穴则向反方向迁移.当受到光的激发,两种半导体价带的电子都获得能量由半导体的价带迁移到导带,由于p型半导体Cu2O的导带与价带都比TiO2高,这就使得Cu2O导带上的电子定向地向TiO2的导带迁移,在TiO2的导带聚集,迁移到TiO2导带上的电子会被水中的溶解氧等氧化性物质捕获发生还原反应.空穴由TiO2的价带向Cu2O的价带聚集,可直接将吸附在Cu2O表面的有机物氧化,或者先氧化吸附于Cu2O表面的OH-和H2O,生成具有很强氧化性的-OH自由基,进一步氧化水中的有机物.

4.结论与展望

以半导体光催化反应原理为基础的光催化废水燃料电池体系充分利用了污水中的化学能,并产生了电能,实现了废水资源化,而且整体处理过程清洁无污染.但是在光催化废水燃料电池未来的研究发展中仍需要解决光阳极材料对TiO2的依赖性强,可见光利用性差等问题.虽然各种各样的半导体复合电极一直在发展,但如何提高量子效率,仍是研究的重中之重.除此之外,阴极材料,作为影响光催化燃料电池的一方面,也应该未来的研究中进行重点发展.

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罗景曦,女,宝鸡中学;研究方向:环境科学与工程.

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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