基于TiO2纳米管的可见光型光催化废水燃料电池

摘要

目前传统的水处理方法已经很难满足水处理要求，而光催化技术被认为是具有发展前景的新型水处理技术之一，与传统的处理方法相比具有节能、无二次污染以及能彻底降解难降解污染物等优点。本文设计了一种可见光型的光催化废水燃料电池系统，该系统是由WO3/TiO2纳米管光阳极以及CuO/TiO2纳米管光阴极材料用导线直接相连后组合而成，用于持续产生电能分离光生电子和空穴，并降解有机污染物和灭活细菌。
　　本研究以通过阳极氧化法制备得到TiO2纳米管电极作为基底材料，并分别用阴极方波法和恒电位极化法制备得到具有可见光响应的WO3/TiO2纳米管光阳极和CuO/TiO2纳米管光阴极，运用X射线衍射仪（XRD）、紫外可见漫反射光谱（DRS）等一系列测试对复合材料的结构与性能进行表征。
　　在可见光（60 W白炽灯）照射下对两电极及其组成的燃料电池进行电化学测试。两电极均表现出较好的光电性能，其中WO3/TiO2纳米管的费米能级负于CuO/TiO2纳米管，形成了0.18 V的自偏压，导致光阳极表面的光生电子通过外部电路转移到光阴极表面以提高其光催化效率。
　　以60 W的白炽灯为光源，进行降解和灭活实验。研究结果表明，WO3/TiO2-CuO/TiO2废水燃料电池系统的可见光光催化性能明显优于其他两个系统（TiO2-CuO/TiO2废水燃料电池系统以及WO3/TiO2纳米管、CuO/TiO2纳米管两极不相连系统）。该系统降解罗丹明B的过程主要破坏其共轭结构，且降解效果明显，4 h内脱色率和TOC去除率分别达到100％和57%。另外，50 min内该系统可使大肠杆菌细菌全部失活。