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基本信息

項(xiàng)目名稱：
基于單晶TiO2納米線陣列的太陽(yáng)能能連續(xù)光電污水處理裝置
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
通過(guò)“種子調(diào)控”及“定向生長(zhǎng)”技術(shù)制備了垂直取向的金紅石型單晶TiO2納米線陣列。在此基礎(chǔ)上，以含酚廢水作為反應(yīng)原料，通過(guò)光聚合及高溫?zé)峤夥磻?yīng)，構(gòu)筑了金紅石型單晶TiO2@石墨化碳核殼結(jié)構(gòu)納米線陣列。采用該納米線陣列作為光陽(yáng)極，結(jié)合電場(chǎng)輔助技術(shù)，制備了太陽(yáng)能連續(xù)光電污水處理裝置。該裝置具有太陽(yáng)能利用率高，可對(duì)廢水進(jìn)行連續(xù)處理等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也為利用含酚廢水制備高附加值產(chǎn)品提供了新思路。
詳細(xì)介紹：
通過(guò)“種子調(diào)控”及“定向生長(zhǎng)”技術(shù)制備了直徑約為5到10nm、長(zhǎng)約10um垂直取向的金紅石型單晶TiO2納米線陣列。在此基礎(chǔ)上，以含酚廢水作為反應(yīng)原料，通過(guò)光聚合及高溫?zé)峤夥磻?yīng)，構(gòu)筑了金紅石型單晶TiO2@石墨化碳核殼結(jié)構(gòu)納米線陣列。采用該納米線陣列作為光陽(yáng)極，結(jié)合電場(chǎng)輔助技術(shù)，制備了太陽(yáng)能連續(xù)光電污水處理裝置。該裝置具有太陽(yáng)能利用率高，可對(duì)廢水進(jìn)行連續(xù)處理等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也為利用含酚廢水制備高附加值產(chǎn)品提供了新思路，符合當(dāng)代“兩型”社會(huì)的發(fā)展要求。

作品圖片

  • 基于單晶TiO2納米線陣列的太陽(yáng)能能連續(xù)光電污水處理裝置

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

目的和基本思路 工業(yè)污水常常含有大量有毒難降解的有機(jī)污染物，這類難降解的有機(jī)污染物可使生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重的破壞，用傳統(tǒng)的物理方法和生化方法都存在較大的弊端，而TiO2光催化氧化技術(shù)，由于具有反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)設(shè)備簡(jiǎn)單、二次污染小、易于操作控制、對(duì)低濃度污染物有很好的去除效果、運(yùn)行成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有利用清潔廉價(jià)的太陽(yáng)能的巨大潛力。我們基于光催化技術(shù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)TiO2進(jìn)行石墨化碳包覆改性，成功制備了太陽(yáng)能連續(xù)光電污水處理裝置。 創(chuàng)新點(diǎn) 1.采用光聚合及高溫?zé)峤夥?，?gòu)筑了石墨碳層均勻包覆改性的單晶TiO2納米線陣列。改性處理不僅提高了吸附性能、同時(shí)也提高了太陽(yáng)能利用率及光催化效率； 2.該光電極的制備可直接利用清潔無(wú)污染的太陽(yáng)能進(jìn)行，同時(shí)利用工業(yè)含酚廢水作為反應(yīng)原料。 3. 采用TiO2＠石墨碳納米線陣列為光電極，通過(guò)光電協(xié)同方式對(duì)污水進(jìn)行連續(xù)處理。 技術(shù)關(guān)鍵 1. 取向生長(zhǎng)的單晶TiO2納米線陣列的制備及工藝優(yōu)化。 2. TiO2＠石墨碳納米線陣列的制備、碳層厚度調(diào)節(jié)及對(duì)催化性能的影響。 3. 電場(chǎng)作用對(duì)降解速率的影響。 主要技術(shù)指標(biāo) 1. 光電性能：模擬太陽(yáng)光輻照下光電流密度為11.4 mA/cm2 (0.4V vs SCE); 2. 污染物降解速率：模擬太陽(yáng)光輻照下光電降解速率為0.060/Min (2cm2，100 ml MB溶液)。

科學(xué)性、先進(jìn)性

1.采用光聚合及高溫?zé)峤夥?，?gòu)筑了石墨碳層均勻包覆改性的單晶TiO2納米線陣列。改性處理不僅提高了吸附性能、同時(shí)也提高了太陽(yáng)能利用率及光催化效率； 2.該光電極的制備可直接利用清潔無(wú)污染的太陽(yáng)能進(jìn)行，同時(shí)利用工業(yè)含酚廢水作為反應(yīng)原料，不僅有利于節(jié)約能源，同時(shí)也為工業(yè)廢水的處理提供了新思路； 3. 采用TiO2＠石墨碳納米線陣列為光電極，通過(guò)光電協(xié)同方式對(duì)污水進(jìn)行連續(xù)處理。該系統(tǒng)不僅提高了污染物的處理效率，同時(shí)也可以完全利用清潔無(wú)污染的太陽(yáng)能提供動(dòng)力，不需要消耗其他形式的能量，符合當(dāng)代社會(huì)低碳生活及綠色環(huán)保的時(shí)代主題。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

本作品部分內(nèi)容于2010年9月在大連理工大學(xué)參加教育部高教司主辦的“第三屆全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新年會(huì)”及“全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新成果展”，榮獲“第三屆全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新年會(huì)十篇優(yōu)秀論文”，還于在2011年4月湘潭大學(xué)舉辦的創(chuàng)新論壇獲得“最佳作品獎(jiǎng)”。

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無(wú)

作品可展示的形式

模型

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

1 使用說(shuō)明 受太陽(yáng)光輻照時(shí)，太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，并通過(guò)蓄電池儲(chǔ)存起來(lái)，為水泵提供動(dòng)力和對(duì)光電反應(yīng)器施加偏壓，采取光電協(xié)同方式凈化污水。處理達(dá)標(biāo)后，送到用戶處循環(huán)使用或排放。光照強(qiáng)度弱或無(wú)光時(shí)，由蓄電池儲(chǔ)存的電能帶動(dòng)補(bǔ)充光照系統(tǒng)工作，進(jìn)行污水連續(xù)循環(huán)處理。 2 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 電極制作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)，采用光電協(xié)同催化連續(xù)工藝處理，降解速率高，避免催化劑回收難的問(wèn)題，最大限度的利用了太陽(yáng)能。 3 推廣前景及市場(chǎng)分析 光催化不僅具有反應(yīng)條件溫和、二次污染小、易于操作控制、對(duì)低濃度污染物有很好的去除效果等突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有利用廉價(jià)的太陽(yáng)光作為反應(yīng)光源的巨大潛力。加速我國(guó)光電協(xié)同催化降解技術(shù)的研究，將對(duì)我國(guó)的水環(huán)境保護(hù)具有深遠(yuǎn)的意義。 本裝置運(yùn)行的動(dòng)能可完全由清潔無(wú)污染的太陽(yáng)能提供，同時(shí)采取連續(xù)循環(huán)方式運(yùn)行，有利于光催化裝置的小型化，便于安裝及推廣使用。因此，在生活污水、工業(yè)污水處理以及水源修復(fù)方面具有較好的應(yīng)用前景。

同類課題研究水平概述

2001 年，Asahi 等報(bào)道了一種在可見(jiàn)光(波長(zhǎng)λ< 500 nm) 下具有很高光催化活性和超親水性的TiO2 - xNx ( x = 0.75 %)粉末和薄膜光催化劑,氮取代少量的晶格氧可以使二氧化鈦的帶隙變窄，并在不降低紫外光活性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光光催化響應(yīng),掀開(kāi)了非金屬摻雜光催化劑的序幕。隨后，Khan 等通過(guò)控制Ti金屬在天然氣火焰上燃燒熱解獲得化學(xué)改性的n-TiO2 ,并實(shí)現(xiàn)了TiO2的碳摻雜，顯著提高了可見(jiàn)光響應(yīng)特性，其吸收邊紅移至535 nm，帶隙能減小至2.32 eV。光分解水實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該催化劑的最大光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率(光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率) 達(dá)到8.35% ，而在相同條件下n-TiO2的最大光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率僅為1.08%，效率提高了近8倍。而且該催化劑經(jīng)6個(gè)月同樣條件(40 mW/cm2的氙燈照射)下的測(cè)試仍然維持相同的光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率。碳摻雜非金屬的TiO2 具有更寬的可見(jiàn)光吸收范圍，表現(xiàn)出較強(qiáng)的光催化活性，并且這種可見(jiàn)光催化活性是不以犧牲UV激發(fā)下光活性為代價(jià)的。 2006年， Aharon Gedanken課題組通過(guò)將鈦酸酯熱解制備了TiO2@石墨碳復(fù)合光催化劑，并研究了其在太陽(yáng)光作用下，亞甲基藍(lán)及4-苯酚的光降解效率。結(jié)果表明，該復(fù)合催化劑具有較好的可見(jiàn)光催化效率。但由于該催化劑含碳量過(guò)高(大于32%)，阻礙了紫外光向TiO2晶體的傳送，影響了紫外光催化效果；近來(lái)，國(guó)內(nèi)清華大學(xué)的朱永華課題組采用將葡萄糖加入到TiO2(P25)水懸浮液，然后180℃水熱處理，接著在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，800℃鍛燒3 h，制備了表面包覆約1 nm厚，類似石墨碳層的納米TiO2催化劑。拉曼光譜分析表明：經(jīng)過(guò)800℃ 3 h熱處理，該碳層被石墨化。同時(shí)，催化劑晶型基本保持不變，對(duì)紫外、可見(jiàn)及近紅外光的吸收大大增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)甲醛的降解實(shí)驗(yàn)表明，由于催化劑吸收紫外光后，產(chǎn)生光生電子能被石墨碳捕獲并輸送到催化劑表面，從而有效阻止了電子-空穴對(duì)的復(fù)合，并且由于石墨碳能與納米粒子的表面未飽和鈦原子形成d-∏共軛，碳原子吸收可見(jiàn)光后，能將激發(fā)態(tài)電子注入到TiO2的d導(dǎo)帶，提高了量子產(chǎn)率。因此，催化劑的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于P25。
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