SrTiO3/p-硅纳米阵列基PFC光阴极的制备及光电催化性能与机制

Photocatlytic fuel cell (PFC) has attacted much attenion in recent years because it is a novel wastewater recycling technology by simutanniously treating wastewater and recovering chemical energy from organics. However, the reported PFC has some drawbacks, especially in its photocathde materials, such as low satbility and photoconversion efficency, that greatly limit its application. As for overcoming the drawbacks and improving the perforamnce of PFC, this project develops a new photocathde materials of SrTiO3/p-Si nanowires heterjuction, since SrTiO3 has excellent attice matching with Si and it also shows good stability and epitaxial growth on Si surface. As SrTiO3 couples with Si nanowires, a heterojuction is formed with a build-in electric field that favors the electron transportation. After that, the photocahode will be further improved by modification to decrase overpotentia of oxygen reduction. A Improved photoanode materials is also proposed using WO3 nano arrays with nano TiO2 modification, as the presence of nano TiO2 will form heterjuction with WO3 and improve the stability and the photoelectrocatalytic performance of WO3. By building-up of the new PFC, this project will investigate the photoelectrocatalitic properties and reaction mechanism of fuel cell system in electricity generation and organics degradation.

光催化废水燃料电池(PFC)作为一种集废水处理和化学能回收于一体的新技术，已成为近年来的研究热点。但是现有PFC的光阴极材料易光蚀、稳定性差、光电性能低，影响了PFC技术的发展。本项目基于SrTiO3与Si晶胞参数相近、形成的异质结内电场有利于电子迁移以及SrTiO3外延生长性能好、稳定性好的特点，以SrTiO3作为p-型硅纳米阵列光阴极的保护层，制备SrTiO3/p-Si纳米阵列基光催化废水燃料电池光阴极材料，并通过修饰进一步探索降低光阴极氧气还原过电位，提升光阴极性能的途径与机制。基于TiO2/WO3异质结内电场光生电荷迁移特性，提出了以TiO2修饰金属钨基WO3纳米阵列光阳极，建立WO3光阳极保护层，提升光阳极稳定性和光电催化性能的思路。在此基础上，项目将通过构建新型PFC体系，研究难降解有机污染物降解、产电的性能及其影响因素，搞清新型PFC处理污染物并同时产能的反应途径与微观机制。

随着社会快速发展，大量废水进入环境，由此引发了严重的水污染问题和生态灾难。废水是可再生资源，废水中的有机物蕴含着丰富的化学能。尽管目前已发展出多种高效的水处理技术，但是现有技术在提升污染物净化能力时，又提高了成本和能耗，而污染物自身的化学能却没有得到有效利用。2017年由国家基金委组织的水处理领域院士专家曲久辉、赵进才、任南琪等在《中国基础科学》发文指出，废水的再生以及污染物的高效去除与化学物质能源化是目前水处理研究面临的关键科学问题。.废水燃料电池技术，既可实现污水中污染物的净化，又可将污染物能源化，是一种符合可持续发展理念的水处理技术，但是，现有技术存在明显不足。如微生物燃料电池产电效率低、操作复杂、启动时间长，受高盐、高氨氮、亚硝盐、难降解有毒有机物的抑制；光催化燃料电池则严重依赖光照条件和电极面积。.针对上述问题，本项目发展了稳定好、光电催化性能好的硅基光阴极材料，制备了外延生长的TiO2修饰的WO3 光阳极材料，由此构建了系列可见光响应的、新型双极光催化的废水燃料电池体系，并发展了自偏压光催化废水燃料电池，提出了自由基链式反应新型废水燃料电池，破解了光催化燃料电池则严重依赖光照条件和电极面积，大幅提升了太阳光的利用率，并探讨了其高效处理难降解有机污染物和同时回收有机物化学能的性能与微观机制。该研究为难降解废水的高效处理和化学能的回收利用提供了重要的理论基础。.项目发表高水平SCI 论文23 篇，包括环境/能源领域顶级期刊Water Research，Applied Catalysis B: Environmental，Journal of Hazardous Materials， Applied Energy等；申请发明专利4项，已授权3项；培养博士生4人，硕士生5人。