基于膜電極的可見光光催化燃料電池及其制備方法技術

本發明專利技術公開了新型基于膜電極的可見光光催化燃料電池及其制備方法；一種基于膜電極的可見光光催化燃料電池，包括陽極流道板、質子交換膜和陰極集流板；其特征在于：質子交換膜的陽極側熱壓有陽極碳紙，陽極碳紙上與陽極流道板相接觸面涂覆有陽極催化劑層；質子交換膜的陰極側熱壓有陰極碳紙，陰極碳紙上與陰極集流板相接觸面涂覆有陰極催化層；陽極流道板設置有微流道，微流道的兩端分別與進液口和出液口相連通；陽極流道板的外側設置有陽極端板；陰極集流板上設置有光通道；陰極集流板的外側設置有陰極端板；在陽極流道板與陽極碳紙之間以及在陰極碳紙和陰極集流板設置有密封墊片；本發明專利技術可廣泛應用在能源、化工、環保等領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及燃料電池領域，具體涉及基于膜電極的可見光光催化燃料電池及其制備方法。
技術介紹
二十一世紀人類面臨著環境與能源兩大問題。現代工業的飛速發展帶動了經濟的騰飛，但是與此同時，隨著大量的工業廢水未經處理便排入河流，造成了嚴重的水體污染而化石燃料的儲備日益減少。廢水中含有許多有毒有害的有機化工原料以及乙醇等傳統燃料，這部分物質蘊含著大量的化學能，若是能較好的利用起來不但可以治理環境污染，同時還能將這部分化學能轉化為電能，對緩解能源危機起到一定的幫助。而傳統的直接降解法不但效率較低且浪費了這部分化學能，而光催化燃料電池的出現則解決了這個問題。光催化燃料電池主要涉及到光電化學反應。而光電化學反應是指當光照射到半導體光催化劑表面時，半導體光催化劑在光子的激發下產生電子空穴對，其中電子通過外電路導出形成電流，而有機物在空穴的氧化作用下分解。其中主要的半導體催化劑為銳鈦礦型TiO2，該半導體催化劑的能帶不連續，在價帶與導帶中間存在著禁帶，其禁帶寬度Eg為3.2ev，而其禁帶的激發波長約為387.5nm。在光照下當光子能量達到或超過禁帶寬度時，電子從價帶激發至導帶，而價帶上則相應產生了空穴，即生成電子空穴對。空穴具有強氧化作用，可分解大多數的有機物。當環境PH值為堿性時，產生的羥基自由基亦具有強氧化作用。
技術實現思路
針對現有結構存在的缺陷及改進需求，本專利技術所要解決的技術問題在于提供了基于膜電極的可見光光催化燃料電池及其制備方法。本專利技術的第一個技術方案是：一種基于膜電極的可見光光催化燃料電池，包括陽極流道板、質子交換膜和陰極集流板；其特征在于：質子交換膜的陽極側熱壓有陽極碳紙，陽極碳紙上與陽極流道板相接觸面涂覆有陽極催化劑層；質子交換膜的陰極側熱壓有陰極碳紙，陰極碳紙上與陰極集流板相接觸面涂覆有陰極催化層；陽極流道板設置有微流道，微流道的兩端分別與進液口和出液口相連通；陽極流道板的外側設置有陽極端板；陰極集流板上設置有光通道；陰極集流板的外側設置有陰極端板；在陽極流道板與陽極碳紙之間以及在陰極碳紙與陰極集流板之間均設置有密封墊片。本專利技術基于微流體技術，突破傳統液態電解池式光催化燃料電池的限制，大大提高了光催化燃料電池的性能。同時利用膜電極技術，去除傳統光催化燃料電池的液態電解池結構，達到了簡化電池結構，提高電池的使用靈活性和便捷性。此外，空氣中的氧氣通過氣體擴散電極進入電池內參與反應，無需額外的傳送裝置。陽極燃料與電解質混合溶液通過注入光催化燃料電池中，在光照條件下，將化學能轉換為電能向外輸出。本專利技術使用有機廢水作為燃料，既可以處理廢水又能夠在降解廢水的同時將廢水中有機物的化學能轉化為電能,一舉兩得。本專利技術提出了一種新型的固態結構可見光光催化燃料電池，建立新型的固態結構電池。解決了傳統液態電解質型的光催化燃料電池結構不穩定的問題，使光催化燃料電池使用環境更為簡單，攜帶方式更為便捷，同時克服了傳統液態電解池在使用過程中隨著反應的進行電解池濃度變化較大以及電解池受外界環境影響較大這兩個缺點，同時使用了質子交換膜可提高燃料、質子與電子在電池內的傳輸性能，減少傳輸過程中的損失，保持電池的穩定性，延長電池壽命。根據本專利技術所述的基于膜電極的可見光光催化燃料電池的優選方案，陽極催化劑層為硫化鎘-硫化鋅-二氧化鈦復合催化劑，二氧化鈦-二氧化硅的載量為2～3mg/cm2。根據本專利技術所述的基于膜電極的可見光光催化燃料電池的優選方案，陰極催化層為鉑-碳催化層，鉑-碳的載量為：0.8～1mg/cm2。本專利技術的第二個技術方案是：基于膜電極的可見光光催化燃料電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:一、制備膜電極：(一)、制作陽極：A1、將二氧化鈦納米顆粒加入去離子水與乙酰丙酮混合液中，并磁力攪拌均勻；B1、將聚乙二醇辛基苯基醚分散劑加入步驟A1得到的混合液中；C1、再將聚乙烯乙二醇加入步驟B1得到的混合液，磁力攪拌混合均勻；D1、用乙醇稀釋步驟C1得到的混合溶液，再用噴槍噴涂在陽極碳紙上，使二氧化鈦的載量為2～3mg/cm2；E1、將噴涂有陰極催化的陽極碳紙放入管式爐中燒結；F1、將煅燒后的陽極碳紙在的鎘鹽溶液中浸泡，之后用蒸餾水洗凈，再用氮氣干燥；G1、再將陽極碳紙浸入硫化鈉溶液，之后用蒸餾水洗凈，再用氮氣干燥；H1、將陽極碳紙放入管式爐中燒結；(二)、制作陰極：A2、將鉑黑與全氟磺酸溶液加入到異丙醇與蒸餾水的混合溶液中；B2、將混合物超聲攪拌后，噴涂于陰極碳紙帶有碳粉的整平層一側，再烘干；C2、重復B2步直至鉑-碳的載量為：0.8～1mg/cm2；(三)、膜電極熱壓A3、將質子交換膜蒸餾水中浸泡；B3、在陽極碳紙的非催化層面和陰極碳紙的催化層面分別噴涂濃度為5％的全氟磺酸溶液，再烘干；重復該步驟，直至全氟磺酸載量為0.3～0.5mg/cm2；C3、將陽極碳紙、質子交換膜、陰極碳紙依次疊放，并用鋁箔紙將之包裹住；且陽極碳紙的非催化層面與質子交換膜的一面接觸，陰極碳紙的催化層面與質子交換膜的另一面接觸；D3、將熱壓機升溫后，放入鋁箔包裹的膜電極，進行熱壓；二、單電池裝配：將陽極端板、陽極流道板、硅膠墊片、膜電極、硅膠墊片、陰極集流板、陰極端板依次疊放，并用螺栓固定；在所述陽極流道板上設置有微流道，微流道的兩端分別與進液口和出液口相連通；在所述陰極集流板上設置有自呼吸孔。本專利技術使用典型的廢水，如少量乙醇作為燃料，采用強酸(H2SO4)或強堿(KOH)作為電解質，水作為溶液載體。當光催化劑受光激發時，在光催化劑負載陽極處產生電子-空穴對，發生氧化反應：電子通過外電路達到陰極形成電流，在自呼吸陰極的氣體擴散電極處發生還原反應：e-+O2+H+→H2O質子(H+)通過質子交換膜由陽極傳輸到陰極。本專利技術以固態光催化燃料電池結構取代傳統液態電解質結構對污水中的有機化學能進行處理并利用產電。本專利技術將負載有染料敏化處理的二氧化鈦作為光催化劑的碳紙及負載催化劑鉑黑和碳粉作為自呼吸陰極的碳紙與Nafion膜三者熱壓為膜電極，與陽極流道和陰極集流板構成了基于膜電極的可見光光催化燃料電池結構主體，此外陰極集流板一方面作為陰極的氣孔，另一方面可以傳導電子，而陽極的流道一方面可以作為燃料供入電池的反應流道，另一方面也可以傳導電子。本專利技術的有益效果是：本專利技術陽極采用微通道設計，大幅減小了反應體系的傳質阻力與特征長度，燃料流動到電極表面的傳輸損失也因此減少，而蛇形流道設計則增加了燃料在催化劑表面的停留時間，提高燃料的利用率；陰極采用自呼吸式陰極設計，可簡化系統，無需額外供氧設備，且可快速從空氣向電池供氧提高了電化學反應速率；同時，本專利技術將負載有染料敏化處理的二氧化鈦作為光催化劑的碳紙及負載催化劑鉑黑和碳粉作為自呼吸陰極的碳紙與全氟磺酸膜三者熱壓為膜電極，與陽極流道和陰極集流板構成了基于膜電極的可見光光催化燃料電池結構主體，本專利技術結構緊湊，制造方便，操作靈活便捷，比電解池式光催化燃料電池相比性能提高50％以上；可廣泛應用在能源、化工、環保等領域。附圖說明圖1是基于膜電極的可見光光催化燃料電池的結構示意圖。圖2是基于膜電極的可見光光催化燃料電池的外形結構示意圖。具體實施方式參見圖1和圖2，一種基于膜電極的可見光光催化燃料電池，包括陽極端板2、陽極流本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于膜電極的可見光光催化燃料電池，包括陽極流道板(3)、質子交換膜(7)和陰極集流板(10)；其特征在于：質子交換膜(7)的陽極側熱壓有陽極碳紙(6)，陽極碳紙(6)上與陽極流道板(3)相接觸面涂覆有陽極催化劑層(5)；質子交換膜(7)的陰極側熱壓有陰極碳紙(8)，陰極碳紙(8)上與陰極集流板(10)相接觸面涂覆有陰極催化層；陽極流道板(3)設置有微流道(13)，微流道的兩端分別與進液口(1)和出液口(12)相連通；陽極流道板(3)的外側設置有陽極端板；陰極集流板(10)上設置有光通道(14)；陰極集流板(10)的外側設置有陰極端板(11)。

【技術特征摘要】
1.一種基于膜電極的可見光光催化燃料電池，包括陽極流道板(3)、質子交換膜(7)和陰極集流板(10)；其特征在于：質子交換膜(7)的陽極側熱壓有陽極碳紙(6)，陽極碳紙(6)上與陽極流道板(3)相接觸面涂覆有陽極催化劑層(5)；質子交換膜(7)的陰極側熱壓有陰極碳紙(8)，陰極碳紙(8)上與陰極集流板(10)相接觸面涂覆有陰極催化層；陽極流道板(3)設置有微流道(13)，微流道的兩端分別與進液口(1)和出液口(12)相連通；陽極流道板(3)的外側設置有陽極端板；陰極集流板(10)上設置有光通道(14)；陰極集流板(10)的外側設置有陰極端板(11)。2.根據權利要求1所述的基于膜電極的可見光光催化燃料電池，其特征在于：陽極催化劑層(5)為硫化鎘-硫化鋅-二氧化鈦復合催化劑。3.根據權利要求1或2所述的基于膜電極的可見光光催化燃料電池，其特征在于：陰極催化層為鉑-碳催化層。4.根據權利要求1或2所述的基于膜電極的可見光光催化燃料電池，其特征在于：在陽極流道板(3)與陽極碳紙(6)之間以及在陰極碳紙(8)和陰極集流板(10)設置有硅膠墊片(4)。5.如權利要求1所述的基于膜電極的可見光光催化燃料電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:一、制備膜電極：(一)、制作陽極：A1、將二氧化鈦納米顆粒加入去離子水與乙酰丙酮混合液中，并磁力攪拌均勻；B1、將聚乙二醇辛基苯基醚分散劑加入步驟A1得到的混合液中；C1、再將聚乙烯乙二醇加入步驟B1得到的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳蓉，陳明，朱恂，廖強，王宏，葉丁丁，李俊，張亮，
申請(專利權)人：重慶大學，陳蓉，
類型：發明
國別省市：重慶;50