本发明专利技术公开了一种可见光响应的纳米管阵列燃料电池，包括光阳极、阴极、有机废水、光源、电解质和石英反应池，所述的阴极、光阳极分别插入含电解质的有机废水中，并通过外部电路连通，光阳极是由具有可见光响应的TiO2纳米管阵列薄膜制成的电极，开启光源照射光阳极，并在阴极附近持续通入空气，此时有机物在光阳极附近被氧化，产生的电子通过外部电路负载传递至阴极，并被阴极附近的氧气还原。本发明专利技术实现既处理有机物废水，又对外发电的目的，具有比现有技术更高的电池性能和更为广阔的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，特别是一种可见光响应的纳米管阵列燃料电池，属于污染控制和新能源利用领域。
技术介绍
近年来，随着人口的激增和工业的迅猛发展，大量有毒有害的工业废水和生活污水排放入水体，造成了严重的环境污染和生态破坏。与此同时，废水中的有机物也是重要的能源。因此，如何既能快速地处理废水，同时又能高效地回收能源则成了一个非常有意义的研究课题。基于原电池的原理，将废水中的有机物作为底物，设计一种电池体系可将把有机物的化学能转化为电能，则既可以对实现有机物的处理，又可以实现能源的回收利用。1991 年，Habermarm和Pommer首先尝试了以废水中的有机物作为底物，利用微生物燃料电池处理有机物和发电(W. Habermann, E. H. Pommer, Appl. Microbiol. Biotechnol. 1991， 35，128)0微生物燃料电池是在缺氧条件下，利用微生物将有机物的电子传递到阳极上，然后转移到阴极并最终实现发电(B. E. Logan, Nat. Rev. Microbiol. 2009, 7，375)。影响微生物燃料电池性能的关键因素是生物体系内的电子传递效率。然而微生物体系的电子传递过程十分复杂，电子传递速率也相对缓慢，这严重影响了电池的性能。此外，微生物燃料电池还存在着操作复杂、微生物培养、启动时间长和运行条件苛刻等不足。2006 年，日本学者 Kaneko 等(M. Kaneko, J. Nemoto, H. Ueno, N. Gokan, K. Ohnuki, M. Horikawa, R. Saito, T. Shibata, Electrochem. Commun. 2006, 8, 336) 提出了以TiO2光催化技术为基础的燃料电池，它以TiO2薄膜电极为光阳极，利用光催化过程产生的空穴来氧化有机物，同时将光生电子传递至阴极，从而实现快速处理有机物和发电的双重目的。这种方法与传统微生物燃料电池相比，电子的形成和传递更为直接和快速， 因而表现出更高的电池效率。但现有的光催化燃料电池也存在明显的缺陷，其采用粉体纳米TW2薄膜作为光阳极，这种光阳极材料是通过在F掺杂的导电玻璃(FTO)上涂覆一层粉体纳米TiO2薄膜而得到。但这种材料的光生电荷复合较高，TW2纳米颗粒极易从基底上脱落，电极使用寿命较短，且只能响应波长较短的紫外光而不能响应可见光。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可见光响应的纳米管阵列燃料电池，利用可见光响应的纳米管阵列燃料电池。该燃料电池的电极性能更稳定，电池性能更好，且能响应可见光。本专利技术是通过以下技术方案实现的一种可见光响应的纳米管阵列燃料电池，包括光阳极、阴极、有机废水、光源、电解质和石英反应池，所述的阴极、光阳极分别插入含电解质的有机废水中，并通过外部电路连通。 其特点在于所述的光阳极是由具有可见光响应的TiO2纳米管阵列薄膜制成。开启光源照射光阳极，并在阴极附近持续通入空气，此时有机物将在光阳极附近被氧化，产生的电子将通过外部电路负载传递至阴极，并被阴极附近的氧气还原，从而可实现既处理有机物废水， 又对外发电的目的。所述的具有可见光响应的TiA纳米管阵列薄膜为经由CdS或Cu2O修饰过的TiA 纳米管阵列薄膜。所述的光源是模拟太阳光源，或是自然太阳光。所述的阴极是镀过钼黑的钼片电极。所述的电解质为浓度0. Γ0. 5 M的硫酸钠溶液。所述的TiA纳米管阵列薄膜的制备方法是首先将洗净的金属钛板作为阳极，置于含0. 5%氢氟酸的水溶液中，以钼电极为对电极调节电压为20V，在对反应体系进行超声波持续超声的情况下，对金属钛板进行阳极氧化30分钟，得到由金属钛和钛表面的氧化钛构成的钛基氧化钛纳米管阵列材料，然后所述的钛基氧化钛纳米管阵列材料经450。C高温烧结3小时后，得到具有锐钛矿相的TW2纳米管阵列薄膜材料。所述的经CdS修饰的TiA纳米管阵列薄膜电极的制备方法是采用超声电沉积技术进行制备，其具体制备方法是以所述的TiA纳米管阵列薄膜为阴极，钼片为阳极，在含 0.05 M CdCl2和0.1 M单质硫的二甲亚砜溶液中施加偏压0.44 V，电沉积10分钟，整个过程采用超声波持续超声。所述的经Cu2O修饰的TiA纳米管阵列薄膜电极的制备方法为采用超声电沉积技术进行制备，其具体制备方法是以所述的TiA纳米管阵列薄膜电极为阳极，Pt为对电极， Ag/AgCl为参比电极，在含醋酸钠0. 1 M、醋酸铜0.02 M的电解质溶液中施加偏压-0. 25 V, 沉积过程持续5分钟，整个过程采用超声波持续超声。本专利技术的主要优点是(1)采用超声阳极氧化制备的TW2纳米管阵列薄膜光阳极，纳米管短且结实，具有良好的光催化性能和机械稳定性；采用超声电沉积技术制备经CdS或Cu2O修饰的TW2纳米管阵列薄膜电极具有良好的催化性能和机械稳定性。(2)采用经CdS或Cu2O修饰过的TiA纳米管阵列薄膜电极具有良好的可见光响应性能，能够利用可见光。(3)因此，本专利技术可见光响应的纳米管阵列燃料电池可以利用可见光响应进行废水的处理和发电，且电极有良好的稳定性和较高的催化活性。附图说明图1是本专利技术可见光响应的纳米管阵列燃料电池的结构和工作原理图。图2本专利技术三种光电极紫外-可见漫反射谱光谱图对比图。具体实施例方式下面结合实施例和附图对本专利技术作详细说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。先请参阅图1，图1是本专利技术可见光响应的纳米管阵列燃料电池的结构和工作原理图。由图可见，本专利技术可见光响应的纳米管阵列燃料电池，包括光阳极1、阴极2、有机废水、光源、电解质和石英反应池，所述的阴极、光阳极分别插入含电解质的有机废水中，并通过外部电路3连通，其特点在于所述的光阳极1是由具有可见光响应的T^2纳米管阵列薄膜制成的，或是由CdS或Cu2O修饰过的TW2纳米管阵列薄膜电极。开启光源照射光阳极1， 并在阴极2附近持续通入空气，此时有机物将在光阳极1附近被氧化，产生的电子将通过外部电路3负载传递至阴极2，并被阴极2附近的氧气还原，从而可实现既处理有机物废水，又对外发电的目的。所述的光源是模拟太阳光源，或是自然太阳光。所述的阴极是镀过钼黑的钼片电极。所述的电解质为浓度0. 1-0. 5 M的硫酸钠溶液。下面以实施例说明本专利技术光阳极的制备方法。实施例1将洗净的金属钛作为阳极，置于含0. 5%氢氟酸的水溶液中，以钼电极为对电极并调节电压为20 V，在对反应体系进行超声波持续超声的情况下，对金属钛进行阳极氧化30 min, 得到由金属钛和钛表面的氧化钛构成的钛基氧化钛纳米管阵列材料。然后将所述的钛基氧化钛纳米管阵列材料经450。C高温烧结3小时后，可得到具有锐钛矿相的TiO2纳米管阵列薄膜材料。以制得的TiO2纳米管阵列薄膜电极为阴极，钼片为阳极，在含0. 05 M CdClJnO. 1 M单质硫的二甲亚砜溶液中施加偏压0.44 V，电沉积10 min，整个过程采用超声波持续超声，即可得到经CdS/TiA纳米管阵列复合电极。经测试本专利技术三种光电极紫外-可见漫反射谱光谱图对比图如图2所示，图中， (1)表示TW2纳米管阵列薄膜电极的漫反射谱，(2) CdSAiO2纳米管阵列薄膜复合电本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种可见光响应的纳米管阵列燃料电池，包括光阳极（１）、阴极（２）、有机废水、光源、电解质和石英反应池，所述的阴极（２）、光阳极（１）分别插入含电解质的有机废水中，并通过外部电路（３）连通，其特征在于所述的光阳极（１）是由具有可见光响应的ＴｉＯ２纳米管阵列薄膜制成。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周保学，刘艳彪，陈全鹏，李雪瑾，蔡伟民，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31
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