[发明专利]一种新型(膜)电极催化过一硫酸盐辅助构建光催化燃料电池系统

说明书

本发明属于环境催化、水质净化及能源回收利用技术领域，涉及银/氧化锌纳米棒阵列/泡沫镍自支撑电极材料作为阳极，铁酸钴/碳纳米纤维电极或铁酸钴/碳纳米纤维/PVDF膜作为阴极构建新型光催化燃料电池系统。阴极Co²⁺通过催化过一硫酸盐产生硫酸根自由基及单线态氧，协助提升体系降解性能；碳纳米纤维提升材料导电性及ORR性能，提升PFC体系产电效果。而CoF₂O₄/碳纳米纤维/PVDF膜阴极将膜过滤作用引入体系增加催化材料和污染物反应接触，增加催化活性。而体系自偏压产生电子促进阴极材料中活性位点Co²⁺在体系中的循环，减少离子溶出，提升电极的重复利用性；在有无光照情况下均实现高效污染物降解。

技术领域

本发明属于环境催化、水质净化及能源回收利用技术领域，涉及银/氧化锌纳米棒阵列/泡沫镍自支撑电极材料作为光催化阳极，铁酸钴/碳纳米纤维/碳纤维布电极或铁酸钴/碳纳米纤维/PVDF膜电极作为阴极构建新型光催化燃料电池系统，具体涉及光电催化及硫酸根自由基催化氧化降解。

背景技术

由于环境污染问题的日益严峻，如何快速、高效、节能地实现污水的处理是科研工作者一直探索的问题。基于硫酸根自由基(SO₄^·-)氧化难降解有机污染物的处理技术是近年来发展起来一种高级氧化技术。基于硫酸盐自由基的高级氧过程氧化能力强、氧化剂本身稳定性好、活化方式多、pH使用范围广，而且硫酸根自由基的寿命(半衰期为4s)比羟基自由基(寿命小于1μs)长，有利于与污染物接触和降解。研究表明，Co²⁺活化过一硫酸盐体系活性高，科研工作者开发多种含钴化合物，这类化合物虽能高效活化过一硫酸盐，但是普遍存在Co²⁺溶出量大、催化剂稳定性差等问题，限制其广泛的应用。因此，亟待开发一种高效、稳定、可重复利用的活性催化剂，构建高效的过一硫酸盐体系。

光催化燃料电池(Photocatalytic Fuel Cell)是在光照条件下，通过光电化学反应将有机废水中的化学能和吸收的太阳能转换成电能，同时实现废水降解的目的。LiuShanshan等以Bi₂MoO₆/ITO为阳极，Co₃O₄/碳纤维布为阴极构建光催化电化学系统，在外加1.5V偏压下，过一硫酸盐添加后体系苯酚去除率从6％提升到100％。(Journal ofCatalysis 355(2017)167–175Contents)。但是，外加偏压需要消耗电能，而光催化燃料电池系统不仅可以不需额外电能输入，还能实现系统产电输出。而高效催化过一硫酸盐催化剂作为电极材料构建新型PFC体系，污染物降解同时高效产电的研究还未有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型催化过一硫酸盐辅助光催化燃料电池系统，阴极为具有高效催化过一硫酸盐反应的为铁酸钴/碳纳米纤维/碳纤维布电极(CoF₂O₄/CNFs/CC)或铁酸钴/碳纳米纤维/PVDF膜电极(CoF₂O₄/CNFs/PVDF)；实现催化过一硫酸盐辅助光催化反应产生自由基，提升体系污染物降解效果，同时高效产电；在自偏压体系实现阴极Co²⁺循环，从而减少离子溶出，可重复使用。

本发明的技术方案：

一种新型(膜)电极催化过一硫酸盐辅助构建光催化燃料电池系统，包括数据采集系统、曝气系统、循环系统及反应器；反应器为单室或双室石英反应器，阳极为光催化电极材料，阴极为具有催化过一硫酸盐的电极材料或同时具有截留作用的膜电极材料，阳极与阴极形成费米能极差；阳极与阴极通过外电阻连接，数据采集系统实时监测系统产电；曝气系统为可控流速的曝气泵，曝气头置于反应器阴极室；循环系统是当阴极耦合膜电极材料时，阴极膜出水通过蠕动泵驱动循环过滤，实现污水在体系中的循环。