本发明专利技术公开了一种可见光光催化燃料电池及其制备方法，所述可见光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。本发明专利技术中还公开了相应的可见光光催化燃料电池制备方法，包括：（1）阳极氧化法制备片状二氧化钛纳米管；（2）阴极方波电沉积法制备三氧化钨/二氧化钛纳米管光阳极；（3）恒电位极化法制备氧化铜/二氧化钛纳米管光阴极；（4）制备光催化燃料电池。通过本发明专利技术，所获得的可见光光催化燃料电池，可见光响应好，光催化性能高且污染物降解能力显著。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池领域，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。
技术介绍
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，钼片为光阴极来制作燃料电池，一方面，作为光阴极材料的钼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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了，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，按照本专利技术的一个方面，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0.4-0.6 μ m2。按照本专利技术的另一方面，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:(I)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，钼片为对电极，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°C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(I)得到的片状二氧化钛纳米管作为阴极、钼片作为阳极、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:(3.1)恒电位极化法镀铜离子:将经步骤(I)得到的片状二氧化钛纳米管作为工作电极、钼电极作为对电极、甘汞电极作为参比电极，共同置于摩尔浓度为0.3-0.6摩尔/升的乙酸铜和摩尔浓度为0.3-0.6摩尔/升的乙酸钠的混合溶液中，通电恒电位极化反应得到载铜离子二氧化钛纳米管，去离子水清洗，烘干，待用；(3.2)将经子步骤(3.1)得到的载铜离子二氧化钛纳米管置于体积浓度比为10:1-30:1的氢氧化钠和过硫酸铵混合溶液中浸泡，待其表面变成蓝色取出，去离子水清洗干净，置于烘箱中烘干，最后置于400-550°C马弗炉中煅烧0.5-2h，得到氧化铜/ 二氧化钛纳米管；(4)制备光催化燃料电池将步骤(2)制得的三氧化钨/ 二氧化钛纳米管作为光催化燃料电池光阳极，步骤(3)制得的氧化铜/ 二氧化钛纳米作为光催化燃料电池光阴极，两电极之间通过导线连接并置于电解液中，得到可见光光催化燃料电池。作为进一步优选地，所述可见光光催化燃料电池的制备方法，其中，阴极方波电沉积法制备三氧化钨/ 二氧化钛纳米管子步骤(2.2)中，所述方波电压范围为-0.6-0.4V或0-0.1V，方波循环圈数为200-800圈。作为进一步优选地，所述可见光光催化燃料电池的制备方法，其中，步骤(2)阴极方波电沉积法制备三氧化钨/ 二氧化钛纳米管子步骤(2.2)中，先在电压范围为-0.6—0.4V的方波电压下沉积50-200ms后，再在电压范围为0-0.1V的方波电压下沉积500-1500ms，依次进行方波循环待阴极极化结束后清洗烘干。作为进一步优选地，所述可见光光催化燃料电池的制备方法，其中，阴极方波电沉积法制备三氧化钨/ 二氧化钛纳米管子步骤(2.2)中，所述方波循环圈数为200-800圈。作为进一步优选地，所述可见光光催化燃料电池的制备方法，其中，恒电位极化法制备氧化铜/ 二氧化钛纳米管光阴极子步骤(3.2)中，所述恒电位采用相对甘汞电极-0.2—0.1V的电压，每次极化时间为30-60min。作为进一步优选地，所述可见光光催化燃料电池的制备方法，其中，恒电位极化法制备氧化铜/ 二氧化钛纳米管光阴极子步骤(3.2)中，恒电位极化法镀铜离子极化重复操作1-5次。每次极化完成之后将二氧化钛纳米管取出，并用搅拌棒混匀乙酸铜和乙酸钠溶液，再进行第二次极化，以改变电极溶液之间的相界面环境，避免前一次极化过程对于后一次极化的干扰。作为进一步优选地，所述可见光光催化燃料电池的制备方法，可用于污水处理和水解产氢的可见光响应的光催化材料的制备。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备如下技术优点:1、可见光响应得以增强。本专利技术以氧化铜/ 二氧化钛纳米管为光阳极，三氧化钨/ 二氧化钛纳米管为光阴极，使得阴阳两电极都可以接受光照，提高了光催化燃料电池的可见光响应和光效率。2、光催化性能得到提高。在可见光的照射下，由于本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种可见光光催化燃料电池，其特征在于，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。
【技术特征摘要】
1.一种可见光光催化燃料电池，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的可见光光催化燃料电池，其特征在于，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。3.如权利要求1或2所述的可见光光催化燃料电池，其特征在于，所述三氧化钨纳米颗粒直径约为5-1Onm。4.如权利要求1-3任意一项所述的可见光光催化燃料电池，其特征在于，所述氧化铜纳米颗粒呈团簇状均匀沉积在片状二氧化钛纳米管表面，且其沉积面积为0.4-0.6 μ m2。5.一种可见光光催化燃料电池的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: (O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； (1.2)将经子步骤(1.1)得到的纯净钛片作为工作电极，钼片为对电极，置于氟化铵、甘油和水的混合溶液中，该混合溶液中氟化铵摩尔浓度为0.1-0.5摩尔/升，甘油体积百分数为70%-95%，钛片在10-30V的直流电压作用下进行阳极氧化，反应完毕后取出被氧化钛片，去离子水清洗烘干，再置于马弗炉400-55(TC中度煅烧，生成片状二氧化钛纳米管备用； (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)配制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(I)得到的片状二氧化...
【专利技术属性】
技术研发人员：张延荣，杨婧薇，廖文娟，徐鹏，张典，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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