催化学报

催化学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (2): 270-277.DOI: 10.1016/S1872-2067(16)62556-1

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阳极TiO2/g-C3N4与阴极WO3/W纳米催化剂之间扩大的异质结自偏压系统去除污染物

于婷婷a, 柳丽芬a,b, 杨凤林a   

  1. a 大连理工大学环境学院工业生态与环境工程教育部重点实验室, 辽宁大连 116024;
    b 大连理工大学食品与环境学院, 辽宁盘锦 124221
  • 收稿日期:2016-07-23 修回日期:2016-09-02 出版日期:2017-02-18 发布日期:2017-03-14
  • 通讯作者: Lifen Liu,Tel:+86-427-2631799;Fax:+86-411-84708084;E-mail:lifenliu@dlut.edu.cn
  • 基金资助:

    国家自然科学基金（21177018，21677025）；高等学校学科创新引智计划（111计划，B13012）.

Heterojunction between anodic TiO2/g-C3N4 and cathodic WO3/W nano-catalysts for coupled pollutant removal in a self-biased system

Tingting Yua, Lifen Liua,b, Fenglin Yanga   

  1. a Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering, MOE, School of Environmental Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China;
    b School of Food and Environment, Dalian University of Technology, Panjin 124221, Liaoning, China
  • Received:2016-07-23 Revised:2016-09-02 Online:2017-02-18 Published:2017-03-14
  • Contact: 10.1016/S1872-2067(16)62556-1
  • Supported by:

    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21177018, 21677025) and the Program of Introducing Talents of Discipline to Universities (B13012).

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摘要：

电化学或光电化学半导体催化剂广泛应用于降解污水中的有机与无机污染物，有望实现低能耗且高效的污染物降解.目前，已有多种异质结半导体光催化剂的研究报道，并且大多数的研究结果显示催化剂活性有明显提高，但仍存在着光激发后电子与空穴的复合问题.光电化学系统的构建可减少电子与空穴的复合，因光催化阳极与光催化阴极之间费米能级的不同，在两极之间形成异质结，产生内电场，自生偏压驱动电子流动.已有诸多研究报道将TiO2催化剂与g-C3N4复合形成异质结，提高光催化活性.由于g-C3N4（~-1.12 eV vs.NHE）导带位置相比于TiO2（~-0.2 eV vs.NHE）更负，因此在两者之间可形成内部偏压，驱动电子由g-C3N4转移至TiO2.WO3/W导带位置（~+0.2 eV vs.NHE）比TiO2与g-C3N4更正，因此自生内偏压促进电子由阳极流动至阴极.
我们研究组发展了一种在无光条件下的自偏压电化学燃料电池系统，异质结间的电子流动可活化氧气产生自由基，自由基可用于阳极污染物的降解，但阴极未降解污染物.本文在上述研究基础上，应用TiO2/g-C3N4异质结与WO3/W分别作为阳极与阴极催化剂，构建自偏压催化燃料电池系统，在无光条件下催化阳极与阴极之间自发电子转移，活化氧气产生自由基，同时实现低能耗阳极室内污染物如罗丹明B和三氯生的氧化，且电子用于阴极室内硝态氮的还原.
通过在空气中原位加热与氧化钨丝制得WO3/W阴极，由扫描电镜图可知在钨丝表面形成三氧化钨纳米粒子，此结构增大了催化剂的表面积以及催化剂与电解液的接触面积，有利于电荷转移.用循环伏安曲线（CV）与电流时间曲线（I-t）表征了电极的电化学性质.CV测试结果表明，相比于硫酸钠电解液，WO3/W阴极在含有硝态氮的电解液中存在还原峰，且紫外照射比无光条件下的电流略大，说明此电极在无光条件下可用于还原硝态氮，有光更利于激发催化剂产生电子与空穴降解和去除污染物.在硫酸钠电解液中，无光照条件下（同室），I-t曲线表明TiO2/g-C3N4相比于WO3/W电极可产生更大电流，因此选择TiO2/g-C3N4作为阳极，WO3/W作为阴极.在含污染物电解液中，无光照条件下，Pt片作为对电极时（同室），I-t曲线中的电流在曝气时比未曝气时小，说明电极上产生的部分电子用于活化氧气产生自由基，因此转移到外电路的电子减少，电流变小；相反，当TiO2/g-C3N4阳极置于阳极室，WO3/W阴极置于阴极室时（两室），阳极鼓入空气，阴极曝氮气时，电流比两室均未曝气时大，说明此系统有利于电子产生与转移，用于氧化还原去除污染物.相比于传统方法，此系统通过阳极室内曝空气与活化分子氧形成自由基，无需外加偏压，在有光与无光条件下，均可实现对阳极室与阴极室内不同污染物的同时去除或降解，同时提出了此系统中的降解机理.

关键词: 自偏压系统, 异质结, 无光照, 低能耗, 污染物降解

Abstract:

An anodic TiO2/g-C3N4 hetero-junction and cathodic WO3/W were used to build a self-sustained catalytic fuel cell system for oxidizing rhodamine B or triclosan and reducing NO3--N to N2 simultaneously. The WO3 nano-catalyst was formed in situ by heating and oxidizing a tungsten wire in air. Cyclic voltammetry and current-time curves were used to characterize the electrochemical properties of the electrodes and system. Aeration and activation of molecular oxygen by self-biased TiO2/g-C3N4 led to the formation of reactive oxidizing species in the fuel cell. The mechanism of simultaneous anodic oxidation of pollutants and cathodic reduction of nitrate was proposed. The spontaneously formed circuit and tiny current were used simultaneously in treating two kinds of wastewater in the reactor chambers, even without light illumination or an external applied voltage. This new catalytic pollution control route can lower energy consumption and degrade many other kinds of pollutants.

Key words: Self-biased system, Hetero-junction, No light irradiation, Low energy consumption, Pollutant degradation