《一种用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池.pdf（7页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103762086 A (43)申请公布日 2014.04.30 CN 103762086 A (21)申请号 201410049802.1 (22)申请日 2014.02.13 H01G 9/20(2006.01) C02F 1/461(2006.01) (71)申请人 河海大学 地址 210098 江苏省南京市西康路 1 号 (72)发明人 李轶 邰晓晖 王大伟 胡磊 张文龙 (74)专利代理机构 南京苏高专利商标事务所 ( 普通合伙 ) 32204 代理人 邱兴天 (54) 发明名称 一种用于从污水中回收能量的染料敏化太阳 能电池 (57) 摘要 本发明公开了一。
2、种从污水中回收能量的染料 敏化太阳能电池， 该电池以 Ag/AgCl 负载的手性 TiO2纳米管作为阳极， 以 P/TiO2-Pt 电极作为阴 极， 通过导线与外接电路相连接制成。 该电池由于 采用手性结的 TiO2纳米管作为阳极， 增加了其表 面等离子共振效果， 从而提高了阳极对有机污染 物的氧化作用。在阳极有机物失去电子发生氧化 反应生成 H2O、 CO2等物质， 在阴极得到电子发生还 原反应使铜离子等重金属还原并生成 H2。本发明 的染料敏化太阳能电池提高了燃料电池对有机物 的降解作用， 并从污水中回收能量， 安全、 高效、 无 有害物质产生。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页。
3、 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103762086 A CN 103762086 A 1/1 页 2 1. 一种用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池， 其特征在于 ： 包括热熔垫片 （1） 、 导电玻璃基底 （2） 、 阳极 （3） 、 阴极 （4） 和电解液 （5） ； 所述的热熔垫片 （1） 呈回字型， 固 定于阳极 （3） 与阴极 （4） 之间， 在阳极 （3） 与阴极 （4） 之间设电解液 （5） ， 在所述的阴极 （4） 设作为填充电解质和收集产生气体的预留。
4、开口 ； 在阳极 （3） 与阴极 （4） 的外侧面均设有导 电玻璃基底 （2） ， 导电玻璃基底 （2） 与导线 （6） 相连， 导线 （6） 连接负载 （7） ； 其中， 所述的导 电玻璃基底 （2） 为掺氟的氧化锡 （FTO） 导电玻璃 ； 所述的电解液 （5） 为含有有机污染物和无 机污染物的污水 ； 所述的阳极 （3） 为以 Ag/AgCl 负载的手性 TiO2纳米管阳极 ； 所述的阴极 （4） 为 P/TiO2-Pt 电极 ； 所述的热熔垫片 （1） 是厚度为 25m 的 Surlyn1702 热熔垫片。 2. 根据权利要求 1 所述的用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池， 其特。
5、征在 于 ： 所述的 Ag/AgCl 负载的手性 TiO2纳米管阳极的管径为 20nm， 管长为 500nm， 负载在 TiO2 纳米管上的 Ag/AgCl 纳米颗粒的直径为 5-8nm。 3. 根据权利要求 1 所述的用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池， 其特征在 于 ： 所述的阳极 （3） 由以下方法制备 ： （1） 在 14mL 煮沸的蒸馏水中加入 6g 聚乙烯醇并强力搅拌， 得到一种高粘性液体， 将其 在 70条件下加入由 18mL 蒸馏水和 25mL 乙醇组成的混合溶剂中稀释 ； （2） 在步骤 （1） 中得到的 PVA/ 水 / 乙醇溶液中加入 1.62g 准备好的 Ag/A。
6、gCl 负载的手 性 TiO2纳米管， 产生悬浮液并在室温下冷却 ； （3） 采用刮刀涂布技术在 FTO 玻璃上均匀涂敷步骤 （2） 中得到的悬浮液， 将所得膜片放 置在一个干净的箱子中 15min 以减少表面不规则性和涂层的残余机械应力 ； 阳极膜的厚度 为 11m， 通过重复刮刀涂布技术的次数来控制 ； （4） 将步骤 （3） 所得膜片在真空干燥箱中加热干燥 15min， 温度为 80， 然后在管式电 阻炉中在空气中煅烧 30min， 煅烧温度为 500 ； （5） 将步骤 （4） 所得膜片浸没在含有 0.5 mM N719 染料的乙腈和叔丁醇混合液中 6h， 使染料浸渍在膜片表面， 最后。
7、将有染料负载的阳极在乙腈中清洗后在氮气中干燥。 4. 根据权利要求 1 所述的用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池， 其特征在 于 ： 所述的阴极 （4） 由以下方法制备 ： （1） 在 14mL 煮沸的蒸馏水中加入 6g 聚乙烯醇并强力搅拌， 得到一种高粘性液体， 将其 在 70条件下加入由 18mL 蒸馏水和 25mL 乙醇组成的混合溶剂中稀释 ； （2） 在步骤 （1） 中得到的 PVA/ 水 / 乙醇溶液中加入 1.62g 准备好的 P/TiO2-Pt， 产生悬 浮液并在室温下冷却 ； （3） 采用刮刀涂布技术在 FTO 玻璃上均匀涂敷步骤 （2） 中得到的悬浮液， 将所得膜片放 。
8、置在一个干净的箱子中 15min 以减少表面不规则性和涂层的残余机械应力 ； 阳极膜的厚度 为 11m， 通过重复刮刀涂布技术的次数来控制 ； （4） 将步骤 （3） 所得膜片在真空干燥箱中加热干燥 15min， 温度为 80， 然后在管式电 阻炉中在空气中煅烧 30min， 煅烧温度为 500。 5. 根据权利要求 1 所述的用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池， 其特征在 于 ： 所述的 FTO 导电玻璃基底通过以下方法进行预处理 ： 将 FTO 导电玻璃放置在 2- 丙醇中 超声清洗 30min， 再用蒸馏水彻底漂洗， 最后在氮气中干燥。 权 利 要 求 书 CN 103762086。
9、 A 2 1/4 页 3 一种用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池 技术领域 0001 本发明属于染料敏化太阳能电池技术领域， 尤其是涉及用于从污水中回收能量的 染料敏化太阳能电池。 背景技术 0002 水是人类和一切生物赖以生存的基本要素， 也是维持人类社会可持续发展的基本 条件之一。 20世纪70年代以来， 随着世界人口的剧增， 全球经济的高速发展， 用水量急剧增 长， 水污染日益严重。1997 年联合国发布的 世界水资源综合评估报告 指出， 水问题将严 重制约 21 世纪全球的经济和社会发展， 并可能导致国家间的冲突。中国是一个水资源短缺 的国家， 加之水资源时空分布不均， 水土资源。
10、布局不匹配， 水资源已成为制约中国社会经济 可持续发展的重要因素。 特别对于我国干旱半干旱地区而言， 水资源问题尤为突出， 已成为 这些地区社会经济发展和生态环境演变的关键因素， 受到国家和社会的高度关注。 因此， 必 须在充分节约用水的基础上， 多方面开发非传统水源， 减少污废水对环境的危害， 增加水资 源的循环利用率， 以缓解因水资源紧张带来的一系列严重问题。 0003 随着人口的增加、 工农业生产的发展， 我国水环境污染日趋严重， 许多地区的可用 水资源出现了危机， 越来越成为制约社会、 经济的发展的关键因素。 跨流域调水、 海水淡化、 污水回用和雨水蓄用是目前普遍受到重视的缓解水资源供。
11、需矛盾的措施。 由于污水就近可 得、 水量稳定、 不会发生与邻相争， 不受气候影响等因素， 污水回用经常被作为首选方案。 污 水回用是解决水资源危机的一项重要措施， 也是一条成本低、 见效快的有效途径。 它不但可 以缓解水资源短缺问题， 同时还可以减少污染排放， 改善水环境质量， 对回收污水中存在的 能量也具有重要的意义。由于污水中含有大量有机物、 硝酸盐、 重金属等污染物， 为从污水 中回收能量提供了可能性。 然而传统的污水回用方法对这些能量的回收利用并没有太大效 果， 如何在去除这种物质的基础上进一步回收能量就成为一个迫切需要解决的问题。 0004 为了实现可持续发展， 解决日益严重的环境。
12、问题和能源危机， 一些国家纷纷从国 家战略的高度制定了新能源的发展计划。 其中， 太阳能是一种取之不尽， 用之不竭的无污染 能源， 这使得开发利用太阳能作为解决目前能源问题的行之有效的手段而受到了特别的关 注。 由于太阳能发电具有充分的清洁性、 绝对的安全性、 资源的相对广泛性和充足性等其它 常规能源所不具备的优点， 因此太阳电池的应用范围很广， 从空间应用到如今的太阳能光 伏集成建筑， 世界光伏产业已经走过了半个世纪的历史。 0005 目前应用最广泛的太阳电池是晶硅电池， 但由于硅电池材料性质要求苛刻、 加工 工艺复杂和成本高， 限制了晶硅电池大规模使用。染料敏化太阳能电池是一种非常规的太 。
13、阳能电池， 它与晶硅太阳电池相比其不存在 p-n 结， 这样染料敏化太阳电池是靠多数载流 子来实现电荷传导， 不存在传统 p-n 结太阳电池中少数载流子和电荷传输材料表面复合等 问题。敏化电池光吸收和电荷分离传输分别是由不同的物质完成的 ： 光吸收是靠吸附在纳 米半导体表面的敏化染料来完成， 半导体仅起电荷分离和传输载体的作用。电解液中的氧 化还原电对 （I-/I3-） 作为使电流稳定的电子桥梁， 在染料敏化太阳能电池中起到了重要的 说 明 书 CN 103762086 A 3 2/4 页 4 作用， 但是由于实际污水中I-/I3-电子对并不常见， 使得在敏化电池中使用污水作为电解液 具有一定。
14、的困难。 然而， 污水中广泛存在的有机物和无机物可以帮助解决这个问题， 通过光 电化学电池也可以从污水中同步产生氢气。在这个理想情况下， 有机污染物会在阳极失去 电子发生氧化反应， 同时硝酸盐和重金属在阴极发生还原反应， 质子也将得到电子发生还 原产生 H2。 发明内容 0006 发明目的 ： 针对现有技术中存在的不足， 本发明的目的在于提供一种用于从污水 中回收能量的染料敏化太阳能电池， 既能以太阳能为能源提供能量， 又能在处理污水的基 础上回收污水中所含有的能量。 0007 技术方案 ： 为了实现上述发明目的， 本发明采用的技术方案为 ： 一种用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池， 包。
15、括热熔垫片、 导电玻璃基底、 阳 极、 阴极和电解液 ； 所述的热熔垫片呈回字型， 固定于阳极与阴极之间， 在阳极与阴极之间 设电解液， 在所述的阴极设作为填充电解质和收集产生气体的预留开口 ； 在阳极与阴极的 外侧面均设有导电玻璃基底， 导电玻璃基底与导线相连， 导线连接负载 ； 其中， 所述的导电 玻璃基底为掺氟的氧化锡 （FTO） 导电玻璃 ； 所述的电解液为含有有机污染物和无机污染物 的污水 ； 所述的阳极为以Ag/AgCl负载的手性TiO2纳米管阳极 ； 所述的阴极为P/TiO2-Pt电 极 ； 所述的热熔垫片是厚度为 25m 的 Surlyn1702 热熔垫片。 0008 所述的 。
16、Ag/AgCl 负载的手性 TiO2纳米管阳极的管径为 20nm， 管长为 500nm， 负载 在 TiO2纳米管上的 Ag/AgCl 纳米颗粒的直径为 5-8nm。 0009 所述的阳极由以下方法制备 ： （1） 在 14mL 煮沸的蒸馏水中加入 6g 聚乙烯醇并强力搅拌， 得到一种高粘性液体， 将其 在 70条件下加入由 18mL 蒸馏水和 25mL 乙醇组成的混合溶剂中稀释 ； （2） 在步骤 （1） 中得到的 PVA/ 水 / 乙醇溶液中加入 1.62g 准备好的 Ag/AgCl 负载的手 性 TiO2纳米管， 产生悬浮液并在室温下冷却 ； （3） 采用刮刀涂布技术在 FTO 玻璃上均。
17、匀涂敷步骤 （2） 中得到的悬浮液， 将所得膜片放 置在一个干净的箱子中 15min 以减少表面不规则性和涂层的残余机械应力。阳极膜的厚度 为 11m， 通过重复刮刀涂布技术的次数来控制 ； （4） 将步骤 （3） 所得膜片在真空干燥箱中加热干燥 15min， 温度为 80， 然后在管式电 阻炉中在空气中煅烧 30min， 煅烧温度为 500 ； （5） 将步骤 （4） 所得膜片浸没在含有 0.5 mM N719 染料的乙腈和叔丁醇混合液中 6h， 使染料浸渍在膜片表面， 最后将有染料负载的阳极在乙腈中清洗后在氮气中干燥。 0010 所述的阴极由以下方法制备 ： （1） 在 14mL 煮沸的蒸。
18、馏水中加入 6g 聚乙烯醇并强力搅拌， 得到一种高粘性液体， 将其 在 70条件下加入由 18mL 蒸馏水和 25mL 乙醇组成的混合溶剂中稀释 ； （2） 在步骤 （1） 中得到的 PVA/ 水 / 乙醇溶液中加入 1.62g 准备好的 P/TiO2-Pt， 产生悬 浮液并在室温下冷却 ； （3） 采用刮刀涂布技术在 FTO 玻璃上均匀涂敷步骤 （2） 中得到的悬浮液， 将所得膜片放 置在一个干净的箱子中 15min 以减少表面不规则性和涂层的残余机械应力。阳极膜的厚度 说 明 书 CN 103762086 A 4 3/4 页 5 为 11m， 通过重复刮刀涂布技术的次数来控制 ； （4） 。
19、将步骤 （3） 所得膜片在真空干燥箱中加热干燥 15min， 温度为 80， 然后在管式电 阻炉中在空气中煅烧 30min， 煅烧温度为 500。 0011 所述的FTO导电玻璃基底通过以下方法进行预处理 ： 将FTO导电玻璃放置在2-丙 醇中超声清洗 30min， 再用蒸馏水彻底漂洗， 最后在氮气中干燥。 0012 本发明的用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池， 是在染料敏化太阳能电 池反应器中加入含有机污染物和硝酸盐、 重金属等无机污染物的污水， 在光照条件下进行 即可。在此情况下， 染料敏化电池的阳极中， 由于存在手性结构增加了其表面等离子共振 （SPR） 效果， 从而提高了阳极对有。
20、机污染物的氧化作用。在光照条件下， 阳极失去电子发生 氧化反应生成 H2O、 CO2等物质， 阴极得到电子发生还原反应使铜离子等重金属还原并生成 H2。 0013 有益效果 ： 与现有技术相比， 本发明具有以下优点 ： 1） 大大提高了染料敏化太阳能电池阳极处的电子产率， 从而加快了降解有机污染物的 过程， 尤其对于一些微量难降解有机物 （EE2 等） 的降解过程。 0014 2） 在处理污水的同时， 提供了一种从污水中回收能量的方法， 达到污水回用的目 的。 0015 3） Ag/AgCl 负载的手性 TiO2 纳米管具有制作可重复， 使用周期长， 清洁方便， 可成 批生产等有点。 0016。
21、 4） 染料敏化电池运行过程安全高效， 无其他有害物质生成。 附图说明 0017 图 1 是染料敏化太阳能电池封装图 ； 图 2 是染料敏化太阳能电池连接图。 具体实施方式 0018 下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明， 本发明不仅限于以下实施例。 0019 实施例 1 阳极 3 的制备 1） 在 14mL 煮沸的蒸馏水中加入 6g 聚乙烯醇 （PVA） 并强力搅拌， 得到一种高粘性液体， 将其在 70条件下加入由 18mL 蒸馏水和 25mL 乙醇组成的混合溶剂中稀释。 0020 2） 在步骤 1） 中得到的 PVA/ 水 / 乙醇溶液中加入 1.62g 准备好的 Ag/AgCl 负载。
22、的 手性 TiO2纳米管， 产生悬浮液并在室温下冷却。 0021 3）采用刮刀涂布技术在 FTO 玻璃上均匀涂敷步骤 2）中得到的悬浮液 （面积为 3cm3cm） ， 将所得膜片放置在一个干净的箱子中 15min 以减少表面不规则性和涂层的残 余机械应力。阳极膜的厚度为 11m， 通过重复刮刀涂布技术的次数来控制。 0022 4） 将步骤 3） 所得膜片在真空干燥箱中加热干燥 15min， 温度为 80， 然后在管式 电阻炉中在空气中煅烧 30min， 煅烧温度为 500。 0023 5） 将步骤 4） 所得膜片浸没在含有 0.5 mM N719 染料的乙腈和叔丁醇 （体积比为 1:1） 混合。
23、液中 6h， 使染料浸渍在膜片表面， 最后将有染料负载的阳极在乙腈中清洗后在氮 气中干燥。 说 明 书 CN 103762086 A 5 4/4 页 6 0024 实施例 2 P/TiO2-Pt 阴极 4 的制备 方法同实施例 1， 不同的在于在 PVA/ 水 / 乙醇溶液中加入 P/TiO2-Pt 后重复上述实施 例 1 的步骤 2） 4） 。 0025 实施例 3 FTO 导电玻璃基底的预处理 将FTO导电玻璃放置在2-丙醇中超声清洗30min， 再用蒸馏水彻底漂洗， 最后在氮气中 干燥。 0026 实施例 4 如图 1 和图 2 所示， 一种用于从污水中回收能量的染料敏化太阳能电池， 以。
24、 Ag/AgCl 负 载的手性 TiO2纳米管作为阳极 3（钛片大小为 3cm3cm， 实施例 1 制备） ， 以 P/TiO2-Pt 电 极作为阴极 4（铂片大小为 5cm5cm， 实施例 2 制备） 。以厚度为 25m 的 Surlyn1702 热 熔垫片 1 为封装材料， 将热熔垫片 1 加工成回字型， 固定于两电极间 （热熔垫片内圈尺寸略 大于 TiO2纳米管） 。预先在阴极 4 上钻孔 （直径 1mm） 使孔正对热熔垫片 1 与 TiO2纳米管之 间的空隙， 以作为填充电解质和收集产生气体的预留开口。 固定后加热固化， 在两电极接缝 处焊锡， 两个电极的间距为 5mm， 抽真空利用负。
25、压将电解液 5 填充入电池内。导线 6 的一端 连接在染料敏化电池反应器阳极 3 上的导电玻璃基底 2 处， 通过外接负载 7 后导线 6 再与 染料敏化电池反应器阴极 4 上的导电玻璃基底 2 连接。其中， 导电玻璃基底 2 为掺氟的氧 化锡 （FTO） 导电玻璃 （厚 2.3mm， 面积 25cm2， 方块电阻 8/sq， 经实施例 3 预处理后） ； 电解 液5为含有有机污染物和硝酸盐、 重金属等无机污染物的污水 ； 以Ag/AgCl负载的手性TiO2 纳米管阳极 3 的管径为 20nm， 管长为 500nm， 负载在 TiO2纳米管上的 Ag/AgCl 纳米颗粒的 直径为 5-8nm。。
26、 0027 使用以加入 EE2（色谱纯） 和 CuSO4的污水为电解液的染料敏化太阳能电池， 其中 TOC 初始浓度为 44mg/L， EE2 初始浓度为 0.56mg/L， Cu2+初始浓度为 1.03mg/L， TN 初始浓度 为 13mg/L。经过 120min 的反应时间， TOC、 EE2 和 Cu2+均在此电池的作用下浓度下降到不 可测得， TN 浓度下降到初始浓度的 30%， 证明了染料敏化太阳能电池对污染物的氧化还原 作用。此外， 电池两端电压为 0.65V， 导线上的电流为 8.7mA/cm2， 证明了染料敏化太阳能电 池反应器作为电源的作用。 说 明 书 CN 103762086 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103762086 A 7 。