申請日2014.02.13

　　公開(公告)日2014.04.30

　　IPC分類號C02F1/461; H01G9/20

　　摘要

　　本發(fā)明公開了一種從污水中回收能量的染料敏化太陽能電池，該電池以Ag/AgCl負載的手性TiO2納米管作為陽極，以P/TiO2-Pt電極作為陰極，通過導(dǎo)線與外接電路相連接制成。該電池由于采用手性結(jié)的TiO2納米管作為陽極，增加了其表面等離子共振效果，從而提高了陽極對有機污染物的氧化作用。在陽極有機物失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成H2O、CO2等物質(zhì)，在陰極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)使銅離子等重金屬還原并生成H2。本發(fā)明的染料敏化太陽能電池提高了燃料電池對有機物的降解作用，并從污水中回收能量，安全、高效、無有害物質(zhì)產(chǎn)生。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種用于從污水中回收能量的染料敏化太陽能電池，其特征在于：包括熱熔墊片(1)、導(dǎo)電玻璃基底(2)、陽極(3)、陰極(4)和電解液(5);所述的熱熔墊片(1)呈回字型，固定于陽極(3)與陰極(4)之間，在陽極(3)與陰極(4)之間設(shè)電解液(5)，在所述的陰極(4)設(shè)作為填充電解質(zhì)和收集產(chǎn)生氣體的預(yù)留開口;在陽極(3)與陰極(4)的外側(cè)面均設(shè)有導(dǎo)電玻璃基底(2)，導(dǎo)電玻璃基底(2)與導(dǎo)線(6)相連，導(dǎo)線(6)連接負載(7);其中，所述的導(dǎo)電玻璃基底(2)為摻氟的氧化錫(FTO)導(dǎo)電玻璃;所述的電解液(5)為含有有機污染物和無機污染物的污水;所述的陽極(3)為以Ag/AgCl負載的手性TiO2納米管陽極;所述的陰極(4)為P/TiO2-Pt電極;所述的熱熔墊片(1)是厚度為25μm的Surlyn1702熱熔墊片。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于從污水中回收能量的染料敏化太陽能電池，其特征在于：所述的Ag/AgCl負載的手性TiO2納米管陽極的管徑為20nm，管長為500nm，負載在TiO2納米管上的Ag/AgCl納米顆粒的直徑為5-8nm。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于從污水中回收能量的染料敏化太陽能電池，其特征在于：所述的陽極(3)由以下方法制備：

　　(1)在14mL煮沸的蒸餾水中加入6g聚乙烯醇并強力攪拌，得到一種高粘性液體，將其在70℃條件下加入由18mL蒸餾水和25mL乙醇組成的混合溶劑中稀釋;

　　(2)在步驟(1)中得到的PVA/水/乙醇溶液中加入1.62g準(zhǔn)備好的Ag/AgCl負載的手性TiO2納米管，產(chǎn)生懸浮液并在室溫下冷卻;

　　(3)采用刮刀涂布技術(shù)在FTO玻璃上均勻涂敷步驟(2)中得到的懸浮液，將所得膜片放置在一個干凈的箱子中15min以減少表面不規(guī)則性和涂層的殘余機械應(yīng)力;陽極膜的厚度為11μm，通過重復(fù)刮刀涂布技術(shù)的次數(shù)來控制;

　　(4)將步驟(3)所得膜片在真空干燥箱中加熱干燥15min，溫度為80℃，然后在管式電阻爐中在空氣中煅燒30min，煅燒溫度為500℃;

　　(5)將步驟(4)所得膜片浸沒在含有0.5 mM N719染料的乙腈和叔丁醇混合液中6h，使染料浸漬在膜片表面，最后將有染料負載的陽極在乙腈中清洗后在氮氣中干燥。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于從污水中回收能量的染料敏化太陽能電池，其特征在于：所述的陰極(4)由以下方法制備：

　　(1)在14mL煮沸的蒸餾水中加入6g聚乙烯醇并強力攪拌，得到一種高粘性液體，將其在70℃條件下加入由18mL蒸餾水和25mL乙醇組成的混合溶劑中稀釋;

　　(2)在步驟(1)中得到的PVA/水/乙醇溶液中加入1.62g準(zhǔn)備好的P/TiO2-Pt，產(chǎn)生懸浮液并在室溫下冷卻;

　　(3)采用刮刀涂布技術(shù)在FTO玻璃上均勻涂敷步驟(2)中得到的懸浮液，將所得膜片放置在一個干凈的箱子中15min以減少表面不規(guī)則性和涂層的殘余機械應(yīng)力;陽極膜的厚度為11μm，通過重復(fù)刮刀涂布技術(shù)的次數(shù)來控制;

　　(4)將步驟(3)所得膜片在真空干燥箱中加熱干燥15min，溫度為80℃，然后在管式電阻爐中在空氣中煅燒30min，煅燒溫度為500℃。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于從污水中回收能量的染料敏化太陽能電池，其特征在于：所述的FTO導(dǎo)電玻璃基底通過以下方法進行預(yù)處理：將FTO導(dǎo)電玻璃放置在2-丙醇中超聲清洗30min，再用蒸餾水徹底漂洗，最后在氮氣中干燥。

　　說明書

　　一種用于從污水中回收能量的染料敏化太陽能電池

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明屬于染料敏化太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及用于從污水中回收能量的染料敏化太陽能電池。

　　背景技術(shù)

　　水是人類和一切生物賴以生存的基本要素，也是維持人類社會可持續(xù)發(fā)展的基本條件之一。20世紀(jì)70年代以來，隨著世界人口的劇增，全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，用水量急劇增長，水污染日益嚴(yán)重。1997年聯(lián)合國發(fā)布的《世界水資源綜合評估報告》指出，水問題將嚴(yán)重制約21世紀(jì)全球的經(jīng)濟和社會發(fā)展，并可能導(dǎo)致國家間的沖突。中國是一個水資源短缺的國家，加之水資源時空分布不均，水土資源布局不匹配，水資源已成為制約中國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素。特別對于我國干旱半干旱地區(qū)而言，水資源問題尤為突出，已成為這些地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境演變的關(guān)鍵因素，受到國家和社會的高度關(guān)注。因此，必須在充分節(jié)約用水的基礎(chǔ)上，多方面開發(fā)非傳統(tǒng)水源，減少污廢水對環(huán)境的危害，增加水資源的循環(huán)利用率，以緩解因水資源緊張帶來的一系列嚴(yán)重問題。

　　隨著人口的增加、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，我國水環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，許多地區(qū)的可用水資源出現(xiàn)了危機，越來越成為制約社會、經(jīng)濟的發(fā)展的關(guān)鍵因素�？缌饔蛘{(diào)水、海水淡化、污水回用和雨水蓄用是目前普遍受到重視的緩解水資源供需矛盾的措施。由于污水就近可得、水量穩(wěn)定、不會發(fā)生與鄰相爭，不受氣候影響等因素，污水回用經(jīng)常被作為首選方案。污水回用是解決水資源危機的一項重要措施，也是一條成本低、見效快的有效途徑。它不但可以緩解水資源短缺問題，同時還可以減少污染排放，改善水環(huán)境質(zhì)量，對回收污水中存在的能量也具有重要的意義。由于污水中含有大量有機物、硝酸鹽、重金屬等污染物，為從污水中回收能量提供了可能性。然而傳統(tǒng)的污水回用方法對這些能量的回收利用并沒有太大效果，如何在去除這種物質(zhì)的基礎(chǔ)上進一步回收能量就成為一個迫切需要解決的問題。

　　為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，解決日益嚴(yán)重的環(huán)境問題和能源危機，一些國家紛紛從國家戰(zhàn)略的高度制定了新能源的發(fā)展計劃。其中，太陽能是一種取之不盡，用之不竭的無污染能源，這使得開發(fā)利用太陽能作為解決目前能源問題的行之有效的手段而受到了特別的關(guān)注。由于太陽能發(fā)電具有充分的清潔性、絕對的安全性、資源的相對廣泛性和充足性等其它常規(guī)能源所不具備的優(yōu)點，因此太陽電池的應(yīng)用范圍很廣，從空間應(yīng)用到如今的太陽能光伏集成建筑，世界光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走過了半個世紀(jì)的歷史。

　　目前應(yīng)用最廣泛的太陽電池是晶硅電池，但由于硅電池材料性質(zhì)要求苛刻、加工工藝復(fù)雜和成本高，限制了晶硅電池大規(guī)模使用。染料敏化太陽能電池是一種非常規(guī)的太陽能電池，它與晶硅太陽電池相比其不存在p-n結(jié)，這樣染料敏化太陽電池是靠多數(shù)載流子來實現(xiàn)電荷傳導(dǎo)，不存在傳統(tǒng)p-n結(jié)太陽電池中少數(shù)載流子和電荷傳輸材料表面復(fù)合等問題。敏化電池光吸收和電荷分離傳輸分別是由不同的物質(zhì)完成的：光吸收是靠吸附在納米半導(dǎo)體表面的敏化染料來完成，半導(dǎo)體僅起電荷分離和傳輸載體的作用。電解液中的氧化還原電對(I-/I3-)作為使電流穩(wěn)定的電子橋梁，在染料敏化太陽能電池中起到了重要的作用，但是由于實際污水中I-/I3-電子對并不常見，使得在敏化電池中使用污水作為電解液具有一定的困難。然而，污水中廣泛存在的有機物和無機物可以幫助解決這個問題，通過光電化學(xué)電池也可以從污水中同步產(chǎn)生氫氣。在這個理想情況下，有機污染物會在陽極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，同時硝酸鹽和重金屬在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，質(zhì)子也將得到電子發(fā)生還原產(chǎn)生H2。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于從污水中回收能量的染料敏化太陽能電池，既能以太陽能為能源提供能量，又能在處理污水的基礎(chǔ)上回收污水中所含有的能量。

　　技術(shù)方案：為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

　　一種用于從污水中回收能量的染料敏化太陽能電池，包括熱熔墊片、導(dǎo)電玻璃基底、陽極、陰極和電解液;所述的熱熔墊片呈回字型，固定于陽極與陰極之間，在陽極與陰極之間設(shè)電解液，在所述的陰極設(shè)作為填充電解質(zhì)和收集產(chǎn)生氣體的預(yù)留開口;在陽極與陰極的外側(cè)面均設(shè)有導(dǎo)電玻璃基底，導(dǎo)電玻璃基底與導(dǎo)線相連，導(dǎo)線連接負載;其中，所述的導(dǎo)電玻璃基底為摻氟的氧化錫(FTO)導(dǎo)電玻璃;所述的電解液為含有有機污染物和無機污染物的污水;所述的陽極為以Ag/AgCl負載的手性TiO2納米管陽極;所述的陰極為P/TiO2-Pt電極;所述的熱熔墊片是厚度為25μm的Surlyn1702熱熔墊片。

　　所述的Ag/AgCl負載的手性TiO2納米管陽極的管徑為20nm，管長為500nm，負載在TiO2納米管上的Ag/AgCl納米顆粒的直徑為5-8nm。

　　所述的陽極由以下方法制備：

　　(1)在14mL煮沸的蒸餾水中加入6g聚乙烯醇并強力攪拌，得到一種高粘性液體，將其在70℃條件下加入由18mL蒸餾水和25mL乙醇組成的混合溶劑中稀釋;

　　(2)在步驟(1)中得到的PVA/水/乙醇溶液中加入1.62g準(zhǔn)備好的Ag/AgCl負載的手性TiO2納米管，產(chǎn)生懸浮液并在室溫下冷卻;

　　(3)采用刮刀涂布技術(shù)在FTO玻璃上均勻涂敷步驟(2)中得到的懸浮液，將所得膜片放置在一個干凈的箱子中15min以減少表面不規(guī)則性和涂層的殘余機械應(yīng)力。陽極膜的厚度為11μm，通過重復(fù)刮刀涂布技術(shù)的次數(shù)來控制;

　　(4)將步驟(3)所得膜片在真空干燥箱中加熱干燥15min，溫度為80℃，然后在管式電阻爐中在空氣中煅燒30min，煅燒溫度為500℃;

　　(5)將步驟(4)所得膜片浸沒在含有0.5 mM N719染料的乙腈和叔丁醇混合液中6h，使染料浸漬在膜片表面，最后將有染料負載的陽極在乙腈中清洗后在氮氣中干燥。

　　所述的陰極由以下方法制備：

　　(1)在14mL煮沸的蒸餾水中加入6g聚乙烯醇并強力攪拌，得到一種高粘性液體，將其在70℃條件下加入由18mL蒸餾水和25mL乙醇組成的混合溶劑中稀釋;

　　(2)在步驟(1)中得到的PVA/水/乙醇溶液中加入1.62g準(zhǔn)備好的P/TiO2-Pt，產(chǎn)生懸浮液并在室溫下冷卻;

　　(3)采用刮刀涂布技術(shù)在FTO玻璃上均勻涂敷步驟(2)中得到的懸浮液，將所得膜片放置在一個干凈的箱子中15min以減少表面不規(guī)則性和涂層的殘余機械應(yīng)力。陽極膜的厚度為11μm，通過重復(fù)刮刀涂布技術(shù)的次數(shù)來控制;

　　(4)將步驟(3)所得膜片在真空干燥箱中加熱干燥15min，溫度為80℃，然后在管式電阻爐中在空氣中煅燒30min，煅燒溫度為500℃。

　　所述的FTO導(dǎo)電玻璃基底通過以下方法進行預(yù)處理：將FTO導(dǎo)電玻璃放置在2-丙醇中超聲清洗30min，再用蒸餾水徹底漂洗，最后在氮氣中干燥。

　　本發(fā)明的用于從污水中回收能量的染料敏化太陽能電池，是在染料敏化太陽能電池反應(yīng)器中加入含有機污染物和硝酸鹽、重金屬等無機污染物的污水，在光照條件下進行即可。在此情況下，染料敏化電池的陽極中，由于存在手性結(jié)構(gòu)增加了其表面等離子共振(SPR)效果，從而提高了陽極對有機污染物的氧化作用。在光照條件下，陽極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成H2O、CO2等物質(zhì)，陰極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)使銅離子等重金屬還原并生成H2。

　　有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

　　1)大大提高了染料敏化太陽能電池陽極處的電子產(chǎn)率，從而加快了降解有機污染物的過程，尤其對于一些微量難降解有機物(EE2等)的降解過程。

　　2)在處理污水的同時，提供了一種從污水中回收能量的方法，達到污水回用的目的。

　　3)Ag/AgCl負載的手性TiO2納米管具有制作可重復(fù)，使用周期長，清潔方便，可成批生產(chǎn)等有點。

　　4)染料敏化電池運行過程安全高效，無其他有害物質(zhì)生成。