專利名稱：一種二氧化鈦催化的電池、及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電裝置，具體地說，本發(fā)明涉及一種二氧化鈦(Ti02)薄膜催化的廢水有機物電池。
背景技術(shù)：
近年來，隨著人口激增和工業(yè)的迅猛發(fā)展，大量含有有毒有害的有機廢水進入水體環(huán)境。根據(jù)2009年《中國環(huán)境狀況公報》公布的統(tǒng)計結(jié)果，2009年，中國全年向環(huán)境排放各類廢水高達589. 2億噸，其中有機污染物以化學(xué)需氧量計，達到1277. 5萬噸。大量廢水排入環(huán)境，不僅造成了嚴重的環(huán)境污染，而且造成生態(tài)破壞。廢水中的有機物還是重要的能源，按照日本能源協(xié)會的統(tǒng)計，全世界每年由于廢水排放損失的有機質(zhì)能達全世界每年所需全部能量的三分之一，世界每年由于廢水排放所造成的有機物能源流失達130X 1018焦 耳，相當于全球全年所需全部能量的三分之一(450X1018焦耳)。目前，廣泛采用的有機廢水處理技術(shù)主要是好氧生物處理和厭氧生物處理；前者要消耗大量的能量，且運行費用高，后者運行費較低，但反應(yīng)時間長，占地面積大。有機廢水中的有機物又是能源，回收這些能源有助于克服傳統(tǒng)污水生物處理的固有缺點，并從根本上緩解當今人類面臨的水污染與能源短缺問題。通過設(shè)計一種電池，將廢水中的有機物在電池中“燃燒”，把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，則既可以實現(xiàn)有機物的處理，又可以直接快速實現(xiàn)能源的回收利用。根據(jù)原電池的反應(yīng)原理，對于葡萄糖的分解反應(yīng)C6H1206+602 = 6C02+6H20可以設(shè)計兩個原電池的半反應(yīng)陽極反應(yīng)
C6H1206 + 6H20 # 6C02 + 24e + 24H+陰極反應(yīng)
602 + 24H+ + 24e 含 12H20如何設(shè)計出能夠用于廢水處理和能源利用的原電池成為解決問題的關(guān)鍵。早在1991年，德國科學(xué)家Habermann和Pommer嘗試了利用微生物技術(shù)建立了有機污水處理和能量回收的電池裝置——微生物廢水燃料電池(Habermann ff.，Pommer E. H.，Biological Fuel Cells with Sulphide Storage Capacity. Applied Microbiology andBiotechnology，1991，35，128-133.)。這種電池以廢水有機物的微生物反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過在陽極上發(fā)生微生物作用下有機物的氧化反應(yīng)，陰極上發(fā)生氧氣的還原反應(yīng)，來組成原電池，以進行有機物的處理和能量的直接快速回收利用。微生物廢水燃料電池集電能產(chǎn)生和廢水處理于一體，打破了傳統(tǒng)的污水處理理念，實現(xiàn)了污水處理的重大革新，因而引起了人們的極大關(guān)注(關(guān)毅，張鑫，微生物燃料電池，化學(xué)進展，2007，19 (I)，74-79)。
微生物廢水燃料電池的本質(zhì)是在缺氧條件下，利用微生物在陽極附近代謝有機物的過程中，把有機物的電子傳遞到陽極表面，然后轉(zhuǎn)移到陰極，進行發(fā)電的過程。因此，影響微生物廢水燃料電池性能的最主要因素是生物體系的電子傳遞效率。由于微生物體系的電子傳遞過程是由系列微生物體及其細胞體系共同完成的，微生物體系緩慢的電子傳遞速率導(dǎo)致微生物燃料電池的電池效率低下，因而微生物燃料電池至今鮮見應(yīng)用案例。文獻報道，現(xiàn)有微生物廢水燃料電池其最大輸出功率密度一般處于幾到幾十mWm-2范圍，電流也處于幾到幾十mAm-2范圍(謝晴，楊嘉偉，王彬，冷庚，但德忠，用于污水處理的微生物廢水燃料電池研究最新進展，水處理技術(shù)，2010，36 (3)，10-16)。微生物燃料電池電子傳遞效率低下的問題是微生物燃料電池今后需要突破的瓶頸。此外，微生物廢水燃料電池操作復(fù)雜，需要分別控制陽極和陰極缺氧和耗氧過程，而且還存在微生物反應(yīng)啟動時間長，運行條件苛刻等不足。太陽光的利用一向是很吸引人的，由于太陽能取之不盡，用之不竭。長期以來，科學(xué)家一直在努力研究太陽光的利用，把太陽光轉(zhuǎn)換成熱、電、化學(xué)能等。近年來，科學(xué)家提出了利用太陽光催化處理廢水中的有機污染物，凈化環(huán)境的思路。一些科學(xué)家發(fā)明了利用納 米Ti02作為催化劑，利用太陽光催化的處理污染物的新方法(王犇，周產(chǎn)力，Ti02光催化降解有機物研究進展，工業(yè)水處理，2004，24 (5)，17-20 ;劉亞子，孫成，洪軍，Ti02光電催化技術(shù)降解有機污染物研究進展，環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006，29 (4)，109-111 ;張萬忠，喬學(xué)亮，邱小林，陳建國，羅浪里，納米二氧化鈦的光催化機理及其在有機廢水處理中的應(yīng)用，人工晶體學(xué)報，2006年05期)。納米Ti02作為一種半導(dǎo)體材料，在光照下(主要是紫外光)，能產(chǎn)生電子和空穴；產(chǎn)生的空穴及其間接轉(zhuǎn)化的羥自由基( 0H)具有很高的氧化性，能夠迅速氧化幾乎所有的有機物，使其變成二氧化碳和水。因此，本發(fā)明在利用納米二氧化鈦(Ti02)為催化劑對廢水有機物進行太陽光催化的基礎(chǔ)上，開發(fā)納米Ti02催化的廢水有機物電池來代替微生物廢水燃料電池的陽極，在工業(yè)上具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種Ti02光催化的電池。所述電池包括陽極，陰極和電解質(zhì)，其中，陽極含Ti02，陰極為鉬/鉬黑電極。在本發(fā)明的一個優(yōu)選方案中，所述Ti02為納米Ti02薄膜。本發(fā)明還提供了上述納米Ti02光催化的電池的制備方法。本發(fā)明將納米Ti02搭載在導(dǎo)電的透明玻璃上，做成電池的陽極，組成納米Ti02光陽極，并以鉬/鉬黑電極做陰極，構(gòu)成原電池。另外，本發(fā)明還提供了上述Ti02光催化的電池在有機廢水廢液處理、能源回收或?qū)ν獍l(fā)電上的應(yīng)用。在本發(fā)明的一個優(yōu)選方案中，所述原電池是光催化廢水有機物電池。在更優(yōu)選的方案中，所述電池為單電池或多個串聯(lián)的單電池，其中尤其優(yōu)選四個串聯(lián)的單電池。本發(fā)明電池利用陽極納米Ti02光催化過程能夠快速氧化有機物，并將氧化過程產(chǎn)生的電子直接快速通過導(dǎo)電玻璃傳遞到陰極，可以將廢水中有機物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，既實現(xiàn)廢水的處理，又能對外發(fā)電，可以應(yīng)用于幾乎所有的有機廢水的處理和發(fā)電。
另外，本發(fā)明提供了上述納米Ti02光催化的電池的用途。所述電池既能處理廢水有機物，又能回收生物能源，對外發(fā)電。基于納米Ti02光催化技術(shù)初步設(shè)計的光催化廢水有機物電池，不僅能利用室外太陽光進行廢水處理，而且還能快速直接回收化學(xué)能發(fā)電，是一種有良好應(yīng)用前景的廢水處理與電能回用技術(shù)。同時它與現(xiàn)有微生物廢水燃料電池相比還有如下優(yōu)點I、電池性能高。光催化廢水有機物電池其輸出電流和功率密度處于Am—2、WnT2級另IJ，而微生物廢水燃料電池大多處于幾到幾十mAm_2、mWm_2級別，二者差異約IO2 IO3倍。2、電池結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，控制容易。微生物廢水燃料電池的陽極需要控制缺氧條件，其陰極需要控制好氧條件，其反應(yīng)體系則需要控制特定微生物菌群的生長，極其復(fù)雜。3、應(yīng)用范圍廣。該裝置可用于各類有機廢水的處理和發(fā)電，甚至在未來的太空站尿液等生活廢水的處理和滅菌中也有應(yīng)用可能。 4、是一種有利用太陽光處理廢水和發(fā)電前景的技術(shù)。盡管納米Ti02僅能吸收太陽光小于5%的紫外光，但是通過對Ti02的改性，可以拓展其可見光的響應(yīng)，增加其太陽光的利用。此外研制新型的可見光響應(yīng)的光陽極也是實現(xiàn)太陽光處理廢水和發(fā)電的重要途徑。


圖I表示納米Ti02薄膜材料的場發(fā)射掃描電鏡照片(I為本實驗室制備，2為復(fù)旦大學(xué)制備)。圖2表示Ti02太陽光光催化廢水有機物電池示意圖。圖3表示Ti02太陽光光催化廢水有機物電池四池串聯(lián)電池示意圖。圖4表示光催化廢水有機物電池放電性能，A為電池的極化曲線，B為電池的功率密度曲線。模擬廢水0. lmol/L乙酸，電解質(zhì)0. lmol/L Na2S04。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例進一步闡述本發(fā)明，應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。I.實驗材料和方法I. I材料與儀器電化學(xué)工作站CHI 660C, CH Instruments, Inc.,上海辰華儀器有限公司鉬黑/鉬電極由上海精密儀器有限公司加工完成。模擬太陽光光源，XQ350W氙燈光源，上海藍晟電子有限公司紫外光源(中心波長254nm，型號G4T5)購于通用電氣公司，絲網(wǎng)印刷設(shè)備由上海必達印刷實業(yè)有限公司提供，絲網(wǎng)與刷子的材料分別為聚酯和橡膠，絲網(wǎng)目數(shù)為140目。導(dǎo)電玻璃為摻F的Sn02玻璃,方塊電阻為12 Q ,購于創(chuàng)大太陽能有限公司。納米Ti02德國Degussa公司生產(chǎn)，型號P25，平均粒徑為25nm，比表面積50m2/g，銳鈦礦和金紅石相混合結(jié)構(gòu)，購于上海海逸科貿(mào)有限公司。
松油醇，乙基纖維素、葡萄糖、乙酸等購于上海國藥集團化學(xué)試劑公司有機廢水來自某化工公司排放的實際廢水，城市污水來自閔行污水處理廠進水口，尿液取自七寶中學(xué)學(xué)生。蔬菜水果購自七寶中學(xué)附近的菜市場，由果汁機榨汁，飲料購自七寶中學(xué)內(nèi)商店。I. 2實驗方法電池的電流電壓性能(J-V)由計算機控制的電化學(xué)工作站測量，由電池的電流電壓性能(J-V)曲線，可以獲得電池的開路電壓(VOC)、短路電流(JSC)，最大輸出功率密度(Pmax或JVmax),填充因子(ff)等電池參數(shù)。電池性能的表征在單池反應(yīng)池中進行，電池溶液為含有有機物或廢水的溶液25ml,電解質(zhì)為Na2S04。光源采用模擬太陽光，輻照強度100m mffcm-2 (AMI. 5)或紫外光(中心波長254nm)輻照強度3. 7mWcm_2。陰極附近通入02或空氣，氣量控制為100ml/min。 實驗中，所采用的納米Ti02薄膜電極除在用于單電池性能表征外，均采用本實驗室制備的納米Ti02薄膜電極。采用單電池進行電池性能表征時，為了確保數(shù)據(jù)的準確性，采用了復(fù)旦大學(xué)先進材料實驗室制備的納米Ti02薄膜電極。2、實施例實施例I納米Ti02薄膜的制備及其光催化處理有機廢水本實驗室的制備方法參考文獻(東梅，馮樹京等，化學(xué)工程師，2006，(11)46-47)，制備方法如下先將Ig乙基纖維素溶解在7g松油醇中，然后加入工業(yè)商品P25納米TiO2粉2g,并加少量的乙醇，將混合物在瑪瑙研缽中研磨半小時至均勻，得到納米Ti02膜膏。通過絲網(wǎng)印刷將納米TiO2膏印刷到導(dǎo)電玻璃上。將印刷得到的TiO2薄膜在室溫下晾干約30min，然后放在馬弗爐520°C燒結(jié)2h，升溫速度為10°C /min，待溫度降至室溫時取出。附圖I給出了由本發(fā)明制備和復(fù)旦大學(xué)先進材料實驗室制備的納米TiO2薄膜材料的場發(fā)射掃描電鏡照片(JSM-7401F，JEOL Ltd.，Japan)。由電鏡照片可見，由本發(fā)明制備的和復(fù)旦大學(xué)先進材料試驗室制備的納米TiO2薄膜材料，均為多孔微結(jié)構(gòu)，具有相似的微觀結(jié)構(gòu)。以亞甲基藍作為模擬有機污染物，采用紫外燈作為光源(輻照強度3. 7mffcm-2)。分別取25ml初始濃度為10mg/L亞甲基藍溶液于兩個石英池中，一個石英池放入納米TiO2光催化劑薄膜進行光催化實驗，另一個做光解空白對照實驗，反應(yīng)五小時后，放入納米TiO2光催化劑薄膜的池子褪色。用分光光度計每隔Ih測定一次亞甲基藍在664nm的吸光值。當有納米二氧化鈦光催化劑存在時，亞甲基藍的脫色率達到了 93. I %，而單純的光解亞甲基藍的脫色率僅為16.5%。當有納米二氧化鈦光催化劑存在時，亞甲基藍的COD去除率達91. 4%，而單純的光解亞甲基藍的脫色率僅為42. 8% (見表I)。表I亞甲基藍光催化COD的變化
權(quán)利要求
1.ー種Ti02光催化的電池，包括陽極、陰極和電解質(zhì)，其中陽極含Ti02。
2.如權(quán)利要求I所述的電池，其特征在于，所述Ti02為納米Ti02薄膜，陰極為鉬/鉬黑電極。
3.—種如權(quán)利要求2所述的電池的制備方法，將納米Ti02薄膜搭載在導(dǎo)電的透明玻璃上，做成電池的陽極，組成納米Ti02光陽極，并以鉬/鉬黑電極做陰極，構(gòu)成原電池。
4.一種如權(quán)利要求I所述的電池在有機廢水廢液處理、能源回收或?qū)ν獍l(fā)電上的應(yīng)用。
5.如權(quán)利要求4所述的應(yīng)用，其特征在于，所述電池為Ti02光催化廢水有機物電池。
6.如權(quán)利要求5所述的應(yīng)用，其特征在于，所述電池為電池或多個串聯(lián)的單電池。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)電裝置，具體地說，本發(fā)明涉及一種二氧化鈦(TiO2)薄膜催化的廢水有機物電池。本發(fā)明通過在導(dǎo)電玻璃上涂覆一層納米級的TiO2薄膜做陽極，與陰極組成電池，既能處理廢水中的有機物，又能實現(xiàn)生物能源的回收利用，轉(zhuǎn)化為電能。該電池具有良好的能量轉(zhuǎn)化效率，其性能大幅度優(yōu)于現(xiàn)有微生物廢水電池的性能，電流性能提高了約102～103倍。而且，電池結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，控制容易，應(yīng)用廣泛。
文檔編號H01M4/00GK102820497SQ20111015532
公開日2012年12月12日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者裴明, 周南 申請人:上海市七寶中學(xué)