本發(fā)明涉及光電化學(xué)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池及建筑物屋頂處理生活污水發(fā)電系統(tǒng)和工作方法。

背景技術(shù)：

目前，能源及環(huán)境問題是當(dāng)今社會(huì)亟需解決的問題之一。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，大量生活污水排入水環(huán)境中，造成了大量的環(huán)境污染；且當(dāng)今世界使用的常規(guī)能源主要為煤、石油和天然氣在百年內(nèi)將被消耗殆盡。發(fā)展一種綠色、高效的污水處理技術(shù)，和清潔的能源轉(zhuǎn)化制備裝置具有重要的意義。光電化學(xué)被認(rèn)為是解決這兩大問題最有前景的技術(shù)之一。

光電化學(xué)電池是利用光催化、光電催化實(shí)現(xiàn)將太陽能、化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能或化學(xué)。自1972年，Honda和Fujishima證實(shí)了在光照條件下，T_iO₂半導(dǎo)體作為光陽極催化劑，可以產(chǎn)生氫氣后，光電化學(xué)電池技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。這主要得益于：1太陽能為一種來源廣泛、儲(chǔ)量豐富、清潔無污染、可再生、取之不盡用之不竭的最基本能源；2光電化學(xué)產(chǎn)電或制備碳?xì)淙剂峡梢詼p少貴金屬催化的使用量，降低裝置成本。然后目前絕大部分光電化學(xué)電池只有工作電極使用光催化劑，對(duì)電極往往還需要使用貴金屬作為催化劑。因此有人提出采用n型半導(dǎo)體作為光陽極，p型半導(dǎo)體作為光陰極的雙光響應(yīng)電極的光電化學(xué) 電池。然而，現(xiàn)有的雙光響應(yīng)光電化學(xué)電池主要為H型結(jié)構(gòu)或夾層結(jié)構(gòu)；H型結(jié)構(gòu)占據(jù)空間較大，不利于應(yīng)用推廣，而且電池電極距離較大，影響電池性能；而夾層結(jié)構(gòu)需要雙面照光，也限制了電池的實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，特別創(chuàng)新地提出了一種平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池及建筑物屋頂處理生活污水發(fā)電系統(tǒng)和工作方法。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池，包括：底部放置第一交換膜4，在第一交換膜4邊緣粘貼一體成型的絕緣膠體，在絕緣膠體上部粘貼導(dǎo)電玻璃1，絕緣膠體與第一交換膜4和導(dǎo)電玻璃1圍成封閉腔室，在封閉腔室中間設(shè)置隔離膠體5，將封閉腔室分為兩個(gè)隔絕空間，在每個(gè)隔絕空間開設(shè)兩個(gè)管道孔，用于液體進(jìn)出，導(dǎo)電玻璃1面向封閉腔室一側(cè)為導(dǎo)電側(cè)14，隔離膠體5粘貼在導(dǎo)電玻璃1一側(cè)時(shí)，將導(dǎo)電玻璃1刻蝕出一條凹槽，然后粘貼隔離膠體5，從而切斷導(dǎo)電側(cè)14在兩個(gè)腔室中導(dǎo)電，在一側(cè)腔室的導(dǎo)電側(cè)14上噴涂光陽極催化劑2，在另一側(cè)腔室的導(dǎo)電膜14上噴涂光陰極催化劑3，在兩個(gè)管道孔分別連通有機(jī)廢水和電解液，光源照射導(dǎo)電玻璃1進(jìn)行發(fā)電。

所述的平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池，優(yōu)選的，還包括：

在一側(cè)腔室噴涂光陽極催化劑的導(dǎo)電玻璃上開設(shè)兩個(gè)管道孔，有機(jī)廢水的出水口連接進(jìn)水管道孔，排水管道孔連接污水管道；在另一側(cè)腔室噴涂光陰極催化劑的導(dǎo)電玻璃上也開設(shè)兩個(gè)管道孔，電解液的出液口連接進(jìn)液管道孔，排液管道孔連接電解液回收器。

所述的平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池，優(yōu)選的，所述導(dǎo)電玻璃1替換為第二交換膜，第一交換膜4替換為反應(yīng)腔室蓋板7；在兩個(gè)腔室中填充多孔金屬材料6。

所述的平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池，優(yōu)選的，所述交換膜4包括：質(zhì)子交換膜或者離子交換膜。

所述的平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池，優(yōu)選的，所述多孔泡沫金屬材料與光催化劑、交換膜無縫接觸，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化阻力降低。

所述的平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池，優(yōu)選的，所述兩個(gè)隔絕空間分別為六邊形，進(jìn)液管道孔15和出液管道孔16分別設(shè)置在催化劑的兩端，且進(jìn)液管道孔15和出液管道孔16分別在該六邊形正相對(duì)的內(nèi)角位置。

本發(fā)明還公開一種建筑物屋頂處理生活污水發(fā)電系統(tǒng)，包括：通過水泵13連接污水管道8，通過水泵13將污水管道8引入建筑物屋頂，污水管道8設(shè)置污水控制器9，污水管道8出水口連接平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池進(jìn)水口，平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池排水口連接污水管道進(jìn)水口，平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池并聯(lián)電能儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)11和用電負(fù)荷12。

本發(fā)明還公開一種平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池工作方法，包括如下步驟：

S1，生活污水經(jīng)過過濾殘?jiān)?，由水泵將生活污水抽至建筑物的屋頂，通過污水控制器對(duì)水流進(jìn)行控制，污水引入平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池中進(jìn)行發(fā)電；

S2，對(duì)于不含有電解質(zhì)的污水，光陽極、光陰極、質(zhì)子離子交換膜、多孔金屬材料、液體進(jìn)出口以及反應(yīng)腔室，光陽極催化劑由T_iO₂或WO₃、ZnO、Fe₂O₃、SrT_iO₃n型半導(dǎo)體材料組成；光陰極催化劑由Cu₂O或CuO、CuFeO₂、 Si、CuInS₂P型半導(dǎo)體材料組成，將光陰極、光陽極的催化劑噴涂于交換膜上，隨后將多孔金屬材料與交換膜、催化劑無縫隙結(jié)合；

開啟所述光源，將反應(yīng)液通入反應(yīng)腔室內(nèi)，反應(yīng)液流過過多孔金屬材料，到達(dá)光陽極、光陰極表面進(jìn)行光催化反應(yīng)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，光陽極產(chǎn)生的光生空穴具有強(qiáng)氧化性，降解廢水中的有機(jī)污染物，發(fā)生氧化反應(yīng)；而在無氧氣條件下，光陰極產(chǎn)生的光生電子與電解質(zhì)溶液中的H+進(jìn)行還原反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣；在有氧氣條件下，光陰極產(chǎn)生的光生電子與電解質(zhì)溶液中的H+和氧氣進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生水。光陽極產(chǎn)生的質(zhì)子或離子直接通過質(zhì)子交換膜進(jìn)行交換，光陽極產(chǎn)生的光生電子在電勢作用下，通過多孔金屬材料、外電路轉(zhuǎn)移至光陰極，與光陰極產(chǎn)生的光生空穴結(jié)合；

S3，在平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池中，光陽極催化劑由T_iO₂或WO₃、ZnO、Fe₂O₃、S_rT_iO₃的n型半導(dǎo)體材料組成；光陰極催化劑由Cu₂O或CuO、CuFeO₂、S_i、CuInS₂的P型半導(dǎo)體材料組成，由于太陽光線直接照射導(dǎo)電玻璃或者交換膜，所述光陽極催化劑、光陰極催化劑均能夠直接響應(yīng)光照并且產(chǎn)生電荷；光陰極、光陽極以同一片導(dǎo)電玻璃作為基質(zhì)，沉淀于導(dǎo)電側(cè)，采用刻蝕的方法，在光陽極、光陰極接觸界面進(jìn)行刻蝕，防止光陰陽極導(dǎo)電，通過交換膜形成、隔離陰陽極反應(yīng)腔室；

在光陽極和光陰極分別通入PH值不同的有機(jī)污水及電解質(zhì)溶液，通過光照，在光陰陽極產(chǎn)生光電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，光陽極產(chǎn)生的光生空穴具有強(qiáng)氧化性，降解廢水中的有機(jī)污染物，發(fā)生氧化反應(yīng)；而光陰極產(chǎn)生的光生電子與電解質(zhì)溶液中的O2進(jìn)行還原反應(yīng)，產(chǎn)生OH-或者H2O，或在無氧氣條件下產(chǎn)生氫氣；光陽極和光陰極通過交換膜進(jìn)行質(zhì)子或者離子交換，光陽極產(chǎn)生的光生電子在電勢的作用下，通過外電路轉(zhuǎn)移至光陰極，與光陰極產(chǎn)生的 光生空穴結(jié)合，由此構(gòu)成回路，實(shí)現(xiàn)有機(jī)污水降解、產(chǎn)生電能；

S4，在負(fù)載用電情況下，電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)通過直流/交流變換器或直流/直流變換器進(jìn)行電流轉(zhuǎn)變，滿足用戶的供電需求；在需要儲(chǔ)存電能的狀態(tài)下，通過電能儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)進(jìn)行蓄電操作；

S5，電能儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)儲(chǔ)存電能完畢時(shí)，通過污水控制器控制污水引入的流量，平鋪式雙極光響應(yīng)光電化學(xué)電池停止工作，如果此時(shí)還有負(fù)載用電需求，通過電能儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)進(jìn)行供電操作，當(dāng)電能儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)低電量時(shí)，繼續(xù)增加污水控制器繼續(xù)引入污水的流速進(jìn)行發(fā)電操作。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明采用同時(shí)響應(yīng)光的光陽極和光陰極材料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光陽極和光陰極的驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電池工作時(shí)，雙極協(xié)同作用，產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，提高電池對(duì)光的利用效率、電池效率，并降低成本，更經(jīng)濟(jì)化。

采用平鋪式結(jié)構(gòu)，僅需一側(cè)光源，光照強(qiáng)度相同、光照均勻，提高光的利用效率，且更易于實(shí)際生活中的應(yīng)用。

采用紫外光固化NOA81膠等絕緣惰性材料制作反應(yīng)腔室，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)腔室厚度微型化，減少質(zhì)子轉(zhuǎn)移距離，降低質(zhì)子傳輸阻力，提高電池效率。

通過分離光陽極、光陰極腔室，有利于實(shí)現(xiàn)陰陽極反應(yīng)液PH值的不同，有效提高電池反應(yīng)效率，并且有利于后期的氣體分離。

采用多孔泡沫金屬材料，實(shí)現(xiàn)了電荷傳輸和物質(zhì)傳輸?shù)碾p重強(qiáng)化，而且為質(zhì)子離子交換膜和催化劑提供良好的支撐作用，有利于光電化學(xué)電池的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

本發(fā)明基于微流體控制技術(shù)，具有比表面積大、傳質(zhì)效率高、流動(dòng)控制精確和接觸時(shí)間短等優(yōu)勢。

所述光響應(yīng)光催化燃料電池與同類電池相比，更具有顯著的降解有機(jī)物和產(chǎn)電的性能。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖2是本發(fā)明反應(yīng)器1示意圖；

圖3是本發(fā)明反應(yīng)器1的A部示意圖；

圖4是本發(fā)明反應(yīng)器2示意圖；

圖5是本發(fā)明具體實(shí)施方式示意圖；

圖6是本發(fā)明具體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描 述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。

如圖1所示，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種雙電極可見光響應(yīng)處理有機(jī)污水光電化學(xué)電池，包括光陽極、光陰極、導(dǎo)電玻璃、質(zhì)子離子交換膜、微型反應(yīng)腔室、電解質(zhì)溶液、有機(jī)廢水和溶液進(jìn)出口。所述的光陽極可由T_iO₂或WO₃、ZnO、Fe₂O₃、S_rT_iO₃等n型半導(dǎo)體組成；所述的光陰極可由Cu₂O或、CuO、CuFeO₂、Si、CuInS₂等P型半導(dǎo)體材料組成，所述光陽極、光陰極材料均能夠直接響應(yīng)光照并且產(chǎn)生電荷。光陰極、光陽極以同一片導(dǎo)電玻璃作為基質(zhì)，沉淀于導(dǎo)電側(cè)，采用刻蝕的方法，在光陽極、光陰極接觸界面進(jìn)行刻蝕，防止光陰陽極導(dǎo)電，反應(yīng)腔室的制備并通過質(zhì)子離子交換膜形成、隔離陰陽極反應(yīng)腔室。

開啟所述光源，在光陽極和光陰極分別通入PH值不同的有機(jī)污水電解質(zhì)溶液，通過光照，在光陰陽極產(chǎn)生光電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，光陽極產(chǎn)生的光生空穴具有強(qiáng)氧化性，降解廢水中的有機(jī)污染物，發(fā)生氧化反應(yīng)；而光陰極產(chǎn)生的光生電子在無氧氣條件下與電解質(zhì)溶液中的H⁺進(jìn)行還原反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣。若電解液中含有氧，光陰極產(chǎn)生的光生電子與溶液中的氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，生成OH^-或者H₂O光陽極和光陰極通過質(zhì)子離子交換膜進(jìn)行質(zhì)子離子交換，光陽極產(chǎn)生的光生電子在電勢的作用下，通過外電路轉(zhuǎn)移至光陰極，與光陰極產(chǎn)生的光生空穴結(jié)合，由此構(gòu)成回路，實(shí)現(xiàn)有機(jī)污水降解、產(chǎn)電以及制 氫的制備。

屋頂處理廢水發(fā)電系統(tǒng)，包括光電化學(xué)電池裝置、電能儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)、電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、生活污水管道、污水控制器及用電負(fù)載。生活污水在污水控制器的調(diào)控下，通過管道進(jìn)入光電化學(xué)電池內(nèi)部腔室，在光照作用下，進(jìn)行光電化學(xué)反應(yīng)，分解污水中的有機(jī)物質(zhì)，陰陽極產(chǎn)生的電能通過電能儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)進(jìn)行儲(chǔ)存，在負(fù)載用電情況下，電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)即直流/交流變換器或直流/直流變換器進(jìn)行電流轉(zhuǎn)變，滿足用戶的供電需求；降解后的污水通過管道進(jìn)入氫氣收集裝置，進(jìn)行氫氣的分離、存儲(chǔ)及利用。

另外一種實(shí)現(xiàn)方案：

由于生活污水不一定含有電解質(zhì)，故可采用另外一種方案，如圖4所示，包括光陽極、光陰極、質(zhì)子離子交換膜、多孔金屬材料、液體進(jìn)出口以及微型反應(yīng)腔室。將光陰極、光陽極的催化劑噴涂于質(zhì)子離子交換膜上，隨后將多孔金屬材料于質(zhì)子離子交換膜、催化劑無縫隙結(jié)合，其余特征與上一方案一致。

開啟所述光源，將反應(yīng)液通入反應(yīng)腔室內(nèi)，反應(yīng)液流過多孔泡沫金屬材料，到達(dá)光陽極、光陰極表面進(jìn)行光催化反應(yīng)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，光陽極產(chǎn)生的光生空穴具有強(qiáng)氧化性，降解廢水中的有機(jī)污染物，發(fā)生氧化反應(yīng)；而光陰極產(chǎn)生的光生電子與電解質(zhì)溶液中的H⁺進(jìn)行還原反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣。光陽極產(chǎn)生的質(zhì)子離子直接通過質(zhì)子交換膜進(jìn)行交換，光陽極產(chǎn)生的光生電子在電勢作用下，通過多孔金屬材料、外電路轉(zhuǎn)移至光陰極，與光陰極產(chǎn)生的光生空穴結(jié)合，由此構(gòu)成一回路，實(shí)現(xiàn)有機(jī)污水的降解、產(chǎn)電以及制氫的制備。

本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明采用光電化學(xué)電池具有可降解污染物范圍廣的優(yōu)勢，同時(shí)采用光響應(yīng)的光陽極和光陰極材料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光陽極和光陰極的驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電池工作時(shí)，雙極協(xié)同作用，產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，提高電池對(duì)光的利用效率和電池效率。

采用平鋪式結(jié)構(gòu)，僅需一側(cè)光源，光照強(qiáng)度相同、光照均勻，提高光的利用效率，且更易于實(shí)際生活中的應(yīng)用。

采用紫外光固化NOA81膠制作反應(yīng)腔室，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)腔室厚度微型化，減少質(zhì)子轉(zhuǎn)移距離，降低質(zhì)子傳輸阻力，提高電池效率。

通過分離光陽極、光陰極腔室，實(shí)現(xiàn)不同陰陽極反應(yīng)液的PH值，有效提高電池反應(yīng)效率，并且有利于后期的氣體分離。

采用多孔泡沫金屬材料，實(shí)現(xiàn)了電荷傳輸和物質(zhì)傳輸?shù)碾p重強(qiáng)化，而且為質(zhì)子離子交換膜和催化劑提供良好的支撐作用，有利于光電化學(xué)電池的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

本發(fā)明提出的屋頂污水處理系統(tǒng)，不僅可以處理污水，還可以起到隔熱效果，可以減少屋頂隔熱材料使用量。

本發(fā)明基于微流體控制技術(shù)，具有比表面積大、傳質(zhì)效率高、流動(dòng)控制精確和接觸時(shí)間短等優(yōu)勢。

所述光響應(yīng)光催化燃料電池與同類電池相比，更具有顯著的降解有機(jī)物和產(chǎn)電的性能。

1：導(dǎo)電玻璃

2：光陽極催化劑

3：光陰極催化劑

4：質(zhì)子離子交換膜

5：NOA81隔離膠體

6：多孔金屬材料

7：反應(yīng)腔室蓋板

8：生活污水管道

9：污水控制器

10：光電化學(xué)電池裝置

11：電能儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)

12：用電負(fù)荷

13：水泵

14：導(dǎo)電膜

15：進(jìn)液管道孔

16：出液管道孔

17、18隔絕空間

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。