一種染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的反應(yīng)裝置和制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的反應(yīng)裝置和制備方法，它包括H型電解池和電解質(zhì)溶液，所述H型電解池的兩室分別為陽極室和陰極室，中間通過連通管連通，連通管的中間設(shè)置有砂芯隔膜；所述的陽極室內(nèi)放置有光陽極和參比電極，陰極室內(nèi)放置有陰極，參比電極、光陽極和陰極通過電化學(xué)工作站連接；所述的陽極室外設(shè)置有光源裝置，光源正對(duì)光陽極；陰極室與氫氣收集裝置連接。將有機(jī)染料加入陰極室，在光源照射下，以參比電極為標(biāo)準(zhǔn)通過電化學(xué)工作站給光陽極施加一定的偏電壓，即可將光照激發(fā)產(chǎn)生的電子傳導(dǎo)至陰極，進(jìn)行降解與產(chǎn)氫的反應(yīng)。本發(fā)明在利用光電催化技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)氫時(shí)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)染料的加入，在促進(jìn)了氫氣生成的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了染料本身快速高效的降解。
【專利說明】一種染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的反應(yīng)裝置和制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽能光電催化制氫和有機(jī)染料處理的環(huán)境【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及到一種染料降解與氫氣生成的相互協(xié)同促進(jìn)的反應(yīng)裝置和制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前世界上，能源問題和環(huán)境問題是制約各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展造成了傳統(tǒng)的化石燃料能源的大量使用，一方面，在過去20年里全世界能源消耗增長了 50%，以目前的消耗速度，即使是地球儲(chǔ)量較豐富的煤炭資源在未來200年內(nèi)也將消耗殆盡；另一方面，煤、石油、天然氣為主的化石資源的燃燒所釋放的C02、S02等有害氣體又帶來了“溫室效應(yīng)”、酸雨等諸多環(huán)境污染問題。至此，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展在給人類社會(huì)帶來文明和繁榮的同時(shí)，也帶來了極其嚴(yán)重的全球性問題，構(gòu)建潔凈的、環(huán)境友好的、非化石燃料的可再生新能源體系，已經(jīng)成為世界各國度關(guān)注的焦點(diǎn)和重大戰(zhàn)略。氫能作為一種高燃燒值(能量密度為普通汽油的3倍)、燃燒產(chǎn)物(水)無污染、可持續(xù)的“無碳”能源等優(yōu)勢，被公認(rèn)為是21世紀(jì)的綠色能源，因而，利用自然界豐富的太陽能實(shí)現(xiàn)氫能轉(zhuǎn)化和污染物染料的降解是目前能源與環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，日益受到國際社會(huì)的高度關(guān)注。太陽能光催化技術(shù)由于各種影響因素的制約普遍存在效率低下的問題，無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化推廣。
[0003]基于光電催化技術(shù)能有效降解污染物，結(jié)合光電催化技術(shù)可以達(dá)到分解水產(chǎn)生氫氣，從而期望進(jìn)一步發(fā)展利用光電催化技術(shù)協(xié)同降解染料與產(chǎn)氫的方法。目前對(duì)于這一方面的報(bào)道，更多的是集中在如何提高光陽極材料的太陽光利用效率，以及合理有效的反應(yīng)裝置體系的設(shè)計(jì)等方面，也有相關(guān)報(bào)道實(shí)現(xiàn)了在陽極降解染料和陰極制備氫氣的同時(shí)發(fā)生，但目前并沒有報(bào)道提到將這兩部分反應(yīng)同時(shí)在陰極發(fā)生時(shí)所具有較大的相互協(xié)同促進(jìn)作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了提供一種染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的反應(yīng)裝置和制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0006]一種染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的反應(yīng)裝置，包括H型電解池和電解質(zhì)溶液，所述H型電解池的兩室分別為陽極室和陰極室，中間通過連通管連通，連通管的中間設(shè)置有砂芯隔膜；所述的陽極室內(nèi)放置有光陽極和參比電極，陰極室內(nèi)放置有陰極，參比電極、光陽極和陰極通過電化學(xué)工作站連接；所述的陽極室外設(shè)置有光源裝置，光源正對(duì)光陽極；陰極室與氫氣收集裝置連接。
[0007]所述光陽極為可見光響應(yīng)的半導(dǎo)體修飾的TiO2納米管陣列電極；優(yōu)選的，所述的可見光響應(yīng)的半導(dǎo)體可選擇CdS、CdSe或CdS/CdSe共修飾的TiO2納米管陣列電極材料。
[0008]所述陰極選用金屬氫鍵較弱的電極材料，如Cd、Zn等電極。
[0009]所述光源裝置對(duì)光陽極進(jìn)行照射激發(fā)時(shí)，光源采用λ > 400nm的可見光光源；[0010]所述參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，其與光陽極之間的距離應(yīng)盡可能接近但不能接觸，兩者之間距離小于1cm。
[0011]還需加入一定濃度的電解質(zhì)，以便于電荷在溶液中進(jìn)行傳遞形成電流回路，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，所述電解質(zhì)溶液陽極室為0.2M Na2S溶液，陰極室為0.2M Na2SO4中性電解質(zhì)溶液。
[0012]所述的砂芯隔膜為3~4號(hào)砂芯隔膜。
[0013]染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的制備方法，包括以下步驟:
[0014]I)協(xié)同降解與產(chǎn)氫裝置的設(shè)計(jì)與組裝；
[0015]2)將有機(jī)染料加入陰極室，在光源照射下，以參比電極為標(biāo)準(zhǔn)通過電化學(xué)工作站給光陽極施加一定的偏電壓，即可將光照激發(fā)產(chǎn)生的電子傳導(dǎo)至陰極，進(jìn)行降解與產(chǎn)氫的反應(yīng)。
[0016]協(xié)同降解與產(chǎn)氫的作用機(jī)理大致如下:
[0017](I)光陽極收到光照激發(fā)，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，光生電子經(jīng)由TiO2納米管傳導(dǎo)至基底，在偏電壓的作用下，傳遞至陰極進(jìn)行還原反應(yīng)。
[0018]Catalyst+h υ ( λ > 400nm) — h++e-；
[0019](2)光激發(fā)產(chǎn)生的光生空穴在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)。
[0020]Na2S+2h+ — 2Na++S
[0021](3)大量的光生電子通過外電路被傳導(dǎo)至陰極后，在陰極發(fā)生一系列的復(fù)雜的反應(yīng)后，完成了氫氣的生成和染料的降解過程。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:光電催化協(xié)同降解與產(chǎn)氫實(shí)現(xiàn)了在可見光的照射下高效降解有機(jī)染料污染物和制備氫氣的效果，較大限度地提高了太陽光的利用效率。本發(fā)明最大的亮點(diǎn)在于利用光電催化技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)氫時(shí)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)染料的加入，在促進(jìn)了氫氣生成的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了染料本身快速高效的降解。此外，染料的加入也使得在廉價(jià)的Cd、Zn等電極上有著較Pt電極更高的產(chǎn)氫效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為光電催化協(xié)同降解與產(chǎn)氫的機(jī)理示意圖。
[0024]圖2為光電催化協(xié)同降解與產(chǎn)氫的簡易反應(yīng)裝置圖。
[0025]圖中，1、H型電解池2、砂芯隔膜3、參比電極4、光陽極5、陰極6、電化學(xué)
工作站7、光源裝置8、氫氣收集裝置。
[0026]圖3為光電催化協(xié)同降解與產(chǎn)氫的選用不同陰極對(duì)反應(yīng)的活性影響比較柱狀圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn):
[0028]如圖2所示，一種染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的反應(yīng)裝置，包括H型電解池I和電解質(zhì)溶液，所述H型電解池I的兩室分別為陽極室和陰極室，中間通過連通管連通，連通管的中間設(shè)置有砂芯隔膜2 ;所述的陽極室內(nèi)放置有光陽極4和參比電極3，陰極室內(nèi)放置有陰極5，參比電極3、光陽極4和陰極5通過電化學(xué)工作站6連接；所述的陽極室外設(shè)置有光源裝置7，光源正對(duì)光陽極4 ;陰極室與氫氣收集裝置8連接。[0029]如圖2所示，本實(shí)例采用的是三電極反應(yīng)體系，以確定施加在光陽極4上的偏電壓，并將光陽極4與陰極5分開。為保證兩邊電解池的大氣壓強(qiáng)相同，因此，兩池上端空氣部分應(yīng)保持連通。
[0030]所述光陽極4為可見光響應(yīng)的半導(dǎo)體修飾的TiO2納米管陣列電極；所述的可見光響應(yīng)的半導(dǎo)體可選擇CdS、CdSe或CdS/CdSe共修飾的TiO2納米管陣列電極材料。
[0031]所述陰極5選用金屬氫鍵較弱的電極材料，如CcUZn等電極。
[0032]所述光源裝置7對(duì)光陽極4進(jìn)行照射激發(fā)時(shí)，光源可采用λ > 400nm的可見光光源；
[0033]所述參比電極3為飽和甘汞電極(SCE)，其與光陽極4之間的距離應(yīng)盡可能接近但不能接觸。兩者之間的距離小于lcm。
[0034]還需加入一定濃度的電解質(zhì)，以便于電荷在溶液中進(jìn)行傳遞，也有利于反應(yīng)的進(jìn)行，所述電解質(zhì)溶液陽極室為0.2M Na2S溶液，陰極室為0.2M Na2SO4中性電解質(zhì)溶液。
[0035]所述的砂芯隔膜為3~4號(hào)砂芯隔膜。
[0036]染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的制備方法，包括以下步驟:
[0037]I)協(xié)同降解與產(chǎn)氫裝置的設(shè)計(jì)與組裝；
[0038]2)將有機(jī)染料加入陰極室，在光源照射下，以參比電極為標(biāo)準(zhǔn)通過電化學(xué)工作站給光陽極施加一定的偏電壓，即可將光照激發(fā)產(chǎn)生的電子傳導(dǎo)至陰極，進(jìn)行降解與產(chǎn)氫的反應(yīng)。
[0039]如圖1所示，光照射到光陽極4的表面，激發(fā)產(chǎn)生光生電子空穴，空穴留在光陽極4表面發(fā)生氧化反應(yīng)；電子在偏電壓的作用下遷移至陰極5發(fā)生還原反應(yīng)。
[0040]協(xié)同降解與產(chǎn)氫的作用機(jī)理大致如下:
[0041](I)光陽極收到光照激發(fā)，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，光生電子經(jīng)由TiO2納米管傳導(dǎo)至基底，在偏電壓的作用下，傳遞至陰極進(jìn)行還原反應(yīng)。
【權(quán)利要求】
1.一種染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的反應(yīng)裝置，包括H型電解池和電解質(zhì)溶液，其特征在于:所述H型電解池的兩室分別為陽極室和陰極室，中間通過連通管連通，連通管的中間設(shè)置有砂芯隔膜；所述的陽極室內(nèi)放置有光陽極和參比電極，陰極室內(nèi)放置有陰極，參比電極、光陽極和陰極通過電化學(xué)工作站連接；所述的陽極室外設(shè)置有光源裝置，光源正對(duì)光陽極；陰極室與氫氣收集裝置連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的反應(yīng)裝置，其特征在于:所述光陽極為可見光響應(yīng)的半導(dǎo)體修飾的TiO2納米管陣列電極；所述陰極選用金屬氫鍵較弱的電極材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的反應(yīng)裝置，其特征在于:所述的可見光響應(yīng)的半導(dǎo)體可選擇CdSXdSe或CdS/CdSe共修飾的TiO2納米管陣列電極材料；所述的陰極為Cd或Zn電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的反應(yīng)裝置，其特征在于:所述參比電極為飽和甘汞電極，其與光陽極之間的距離應(yīng)盡可能接近但不能接觸，兩者之間距離小于1cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的反應(yīng)裝置，其特征在于:所述光源裝置對(duì)光陽極進(jìn)行照射激發(fā)時(shí)，光源采用> 400nm的可見光光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的反應(yīng)裝置，其特征在于:所述電解質(zhì)溶液陽極室為0.2M Na2S溶液，陰極室為0.2M Na2SO4中性電解質(zhì)溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的反應(yīng)裝置，其特征在于:所述的砂芯隔膜為3~4號(hào)砂芯隔膜。
8.權(quán)利要求1所述.染料降解與產(chǎn)氫協(xié)同促進(jìn)的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)協(xié)同降解與產(chǎn)氫裝置的設(shè)計(jì)與組裝； 2)將有機(jī)染料加入陰極室，在光源照射下，以參比電極為標(biāo)準(zhǔn)通過電化學(xué)工作站給光陽極施加一定的偏電壓，即可將光照激發(fā)產(chǎn)生的電子傳導(dǎo)至陰極，進(jìn)行降解與產(chǎn)氫的反應(yīng)。
【文檔編號(hào)】C25B9/04GK103469240SQ201310393654
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月3日
【發(fā)明者】李貴生, 李芳 , 李鑫, 李和興 申請(qǐng)人:上海師范大學(xué)