[发明专利]一种可见光光催化燃料电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，更具体地，涉及一种可见光激发的光催化燃料电池及其制备方法。

背景技术

光催化燃料电池因其反应周期短，传递效率快且污染低而具有广泛的应用价值。近年来，研究人员多采用二氧化钛作为光阳极材料来制作燃料电池，由于作为光阳极的二氧化钛禁带较宽（3.0～3.2eV)，仅能利用太阳能的4%左右，且纯二氧化钛只能在紫外光下才有作用，光生电子和空穴的复合导致光量子效率很低，有机污染物降解能力有限。

前人采用了各种手段对二氧化钛进行改性，来达到提高二氧化钛的可见光响应和有机污染物降解能力的目的。比如金属与非金属元素的掺杂，半导体的复合等，将二氧化钛与窄带隙的半导体或贵金属复合可增强可见光响应以及增强电荷分离效率。其中大量的研究工作表明在二氧化钛纳米管沉积三氧化钨后，可以产生高氧化能力的空穴，因为三氧化钨是一种本征半导体材料，禁带宽度只有2.6-2.8eV，两种材料耦合使得电子和空穴在两种材料间以合适的方向迁移，从而限制了光生空穴-电子对的在同一材料中的复合，与二氧化钛纳米管相比，三氧化钨/二氧化钛纳米管的可见光光电流显著提高。

现有的大多数光催化燃料电池多采用二氧化钛为光阳极，铂片为光阴极来制作燃料电池，一方面，作为光阴极材料的铂片成本高且不能接受光照，使得该光催化燃料电池仅有单片阳极接受光照，可见光响应低；另一方面，作为光阳极材料的二氧化钛只能在紫外光下才有作用，太阳能利用率低，而且光生电子和空穴的复合导致光量子效率很低，有机污染物降解能力有限。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可见光光催化燃料电池及其制备方法，其目的在于制备出以三氧化钨/二氧化钛纳米管作为光阳极和氧化铜/二氧化钛纳米管作为光阴极的可见光光催化燃料电池，由此解决现有燃料电池可见光响应差且污染物降解率较低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可见光光催化燃料电池，所述光催化燃料电池以三氧化钨/二氧化钛纳米管作为光阳极，氧化铜/二氧化钛纳米管作为光阴极，其中，所述三氧化钨/二氧化钛纳米管中三氧化钨纳米颗粒均匀地沉积在片状二氧化钛纳米管表面，所述氧化铜/二氧化钛纳米管中氧化铜纳米颗粒均匀沉积在片状二氧化钛纳米管表面。

作为进一步优选地，所述片状二氧化钛纳米管的孔径约30-50nm，管壁厚约15-25nm，管长约为750-800nm。

作为进一步优选地，所述三氧化钨纳米颗粒直径约为5-10nm。

作为进一步优选地，所述氧化铜纳米颗粒呈团簇状，面积约为0.4-0.6μm²。

按照本发明的另一方面，提供了一种可见光光催化燃料电池的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）阳极氧化法制备片状二氧化钛纳米管，该步骤包括如下子步骤：

（1.1）将钛片分别在去离子水和乙醇中超声清洗干净，室温下干燥，再浸于氢氟酸和硝酸组成的混合酸溶液中腐蚀，去离子水清洗，烘干，得到纯净的钛片待用；

由于钛片表面不能含有氧化物，因此需要将其放入氢氟酸和硝酸体积比为1:10-1:1的混合酸溶液中清洗，以腐蚀掉钛片表面氧化物。

（1.2）将经子步骤（1.1）得到的纯净钛片作为工作电极，铂片为对电极，置于含有0.1-0.5摩尔/升的氟化铵和70%-95%甘油和水的混合溶液中，钛片在10-30V的直流电压作用下进行阳极氧化，反应完毕后取出钛片去离子水清洗烘干，再置于400-550℃马弗炉中度煅烧，生成片状二氧化钛纳米管；

（2）阴极方波电沉积法制备三氧化钨/二氧化钛纳米管，该步骤包括如下子步骤：

（2.1）制备含过氧化钨根离子溶液：配制双氧水与钨酸钠混合溶液，其中双氧水和钨酸钠体积比为1:1-4:1，再迅速加入浓度为30%-50%的异丙醇溶液作为除泡剂，待混合溶液充分反应后放出气体，放至室温，再滴加高氯酸调节混合溶液pH至1.1-1.3，得到含过氧化钨根离子的溶液待用；

（2.2）阴极方波电沉积法制备三氧化钨/二氧化钛纳米管：采用三电极体系，将经步骤（1）得到的片状二氧化钛纳米管作为阴极、铂片作为阳极、饱和甘汞电极作为参比电极，共同浸入上述（2.1）子步骤制备的含过氧化钨根离子的溶液中，通过阴极方波电沉积法将三氧化钨纳米颗粒沉积在二氧化钛纳米管表面，去离子水清洗，烘干，得到三氧化钨/二氧化钛纳米管；

（3）恒电位极化法制备氧化铜/二氧化钛纳米管，该步骤包括如下子步骤：