具有自呼吸陰極的可見光響應(yīng)光催化燃料電池中的傳質(zhì)和產(chǎn)電耦合特性及性能強(qiáng)化.pdf

1、隨著社會的快速發(fā)展，化石能源日益枯竭所導(dǎo)致能源危機(jī)和環(huán)境污染成為全世界所面臨的兩大嚴(yán)重問題，尤其是水污染問題日益突出。因此，尋求清潔能源，發(fā)展清潔高效的廢水資源化利用技術(shù)具有重要意義。光催化燃料電池技術(shù)是近年來新興的一個研究方向，它融合了半導(dǎo)體光催化技術(shù)和燃料電池技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以有效利用太陽能，通過光電化學(xué)反應(yīng)直接將有機(jī)廢水中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，同時起到降解廢水的功能。因此，光催化燃料電池可以實(shí)現(xiàn)處理廢水同時產(chǎn)電，這不僅有利于緩解當(dāng)前面

2、臨的能源危機(jī)，還能控制環(huán)境污染。光催化燃料電池的陽極使用半導(dǎo)體材料替代了傳統(tǒng)燃料電池中的貴重金屬催化劑，這大幅降低了燃料電池的成本。另外，光催化燃料電池陽極的半導(dǎo)體光催化反應(yīng)能夠降解大部分的有機(jī)污染物。同時，光催化燃料電池還具有產(chǎn)物無污染，操作條件簡單等優(yōu)點(diǎn)，因而受到了廣泛的關(guān)注。
　　光催化燃料電池是一個耦合光/電/化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)傳輸、光傳輸和光生電子-空穴分離及遷移的復(fù)雜過程，而這都與光陽極的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，進(jìn)而影

3、響電池的產(chǎn)電特性。雖然光催化燃料電池已經(jīng)被廣泛研究，但對其中的傳輸和產(chǎn)電的耦合特性還不明晰，依然還存在著很多問題亟待解決，如光能利用率低、光電流密度低、輸出功率密度低、電子-空穴復(fù)合嚴(yán)重等。
　　針對以上問題，本文首先構(gòu)建了具有自呼吸陰極和可見光響應(yīng)光陽極的光催化燃料電池，既強(qiáng)化了氧氣傳輸又提高了光能利用率；基于該電池，對電池的傳質(zhì)和產(chǎn)電耦合特性進(jìn)行了研究；并從電池和光陽極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，提出新型的光陽極和微型光催化燃料電池，強(qiáng)化

4、電池的產(chǎn)電性能。研究內(nèi)容主要包括：
　　（1）研究了該電池在不同的電解液環(huán)境和利用不同種類的有機(jī)廢水作為燃料時的產(chǎn)電性能。
　?。?）研究了光催化燃料電池陰陽兩極各自的極化特性，考察了運(yùn)行參數(shù)（包括燃料濃度、電解質(zhì)濃度、光照強(qiáng)度和氧氣濃度）對于電池光陽極和陰極各自性能的影響規(guī)律及其對電池整體產(chǎn)電性能的作用規(guī)律。
　　（3）提出了一種三元CdS-SiO2-TiO2復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極，研究了該復(fù)合光陽極的光電化學(xué)性能。

5、　　（4）提出了一種由TiO2納米晶體層、TiO2微孔層和TiO2大孔層組成的新型梯度孔結(jié)構(gòu)光陽極，研究了該光陽極的光電化學(xué)活性和光催化活性，并探究了該光陽極中光傳輸和質(zhì)量傳輸對光電化學(xué)反應(yīng)的影響機(jī)制。
　?。?）提出了一種新型的基于光微流體技術(shù)的光催化燃料電池，研究了該電池的產(chǎn)電和廢水降解特性；提出了一種新型內(nèi)置玻璃纖維絲的光微流體反應(yīng)器，研究了底物傳輸特性及其與光催化反應(yīng)的耦合特性。主要研究成果如下：
　　①構(gòu)建了具有自

6、呼吸陰極和可見光響應(yīng)陽極的光催化燃料電池，研究了該電池在不同的電解液環(huán)境和利用不同種類的有機(jī)廢水作為燃料時的產(chǎn)電性能。研究發(fā)現(xiàn)在堿性環(huán)境中，由于電極的反應(yīng)速率和電荷傳輸都得以提高，同時堿性環(huán)境會抑制光敏化劑的光分解，所以光催化燃料電池在堿性環(huán)境中的產(chǎn)電性能明顯高于中性環(huán)境。而且光催化燃料電池在利用多種醇類和糖類物質(zhì)作為燃料時都表現(xiàn)出了良好的產(chǎn)電性能，當(dāng)使用甲醇和葡萄糖作為燃料時獲得了最佳的產(chǎn)電性能。這說明當(dāng)電池使用分子結(jié)構(gòu)越簡單、碳鏈長

7、度越短的有機(jī)物作為燃料時，其獲得的產(chǎn)電性能越好。此外，該電池在處理多種實(shí)際廢水產(chǎn)電時也獲得了令人滿意的性能。
　?、诶萌姌O體系，研究了光催化燃料電池陰陽兩極各自的極化特性，考察了運(yùn)行參數(shù)對于光陽極和自呼吸陰極各自性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)燃料濃度從1％增加到10%時，光陽極的性能由于傳質(zhì)能力的增強(qiáng)而提高，陰極的性能由于混合電位的增加而下降。然而，由于電池的整體性能主要受光陽極影響，光催化燃料電池整體性能隨燃料濃度的增加而得以提

8、升。當(dāng)燃料濃度進(jìn)一步提高到40%時，離子電導(dǎo)率減小，導(dǎo)致電池的電壓下降。對于電解質(zhì)濃度的影響，電池的性能隨著電解質(zhì)濃度的增加而提高。這主要是因?yàn)殡娊赓|(zhì)濃度的增加可以提高光陽極和陰極的反應(yīng)動力學(xué)，同時提高離子電導(dǎo)率。此外，光照強(qiáng)度會嚴(yán)重影響光陽極的電位。較高的光強(qiáng)會在陽極產(chǎn)生更多的電子-空穴對，從而加速光電化學(xué)反應(yīng)速率。而氧氣濃度會影響陰極的電位。增加氧氣濃度可以促進(jìn)陰極氧還原反應(yīng)，從而提升電池的性能。
　?、厶岢隽艘环N新型CdS-

9、SiO2-TiO2三元復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極來提升電池的光電化學(xué)性能。在CdS-SiO2-TiO2復(fù)合體系中，CdS顆粒一方面可以提高光陽極的可見光吸收性能，另一方面也有助于光生電子在復(fù)合電極內(nèi)部的快速傳遞。而在TiO2顆粒之間摻雜一定量的絕緣體SiO2顆粒，可以抑制電子-空穴的復(fù)合。另外，SiO2納米顆粒還具有良好的物理吸附特性，可以吸附更多的 CdS光敏化劑，從而提高光電流密度。另外，也研究了SiO2含量對CdS-SiO2-TiO2復(fù)合結(jié)構(gòu)

10、光陽極性能的影響。研究表明隨著 SiO2含量從2%增加到10%時，光陽極性能提高，然而當(dāng)繼續(xù)增加SiO2含量到30%時，光陽極性能反而大幅下降。
　　④不同于傳統(tǒng)的只有單一孔結(jié)構(gòu)的TiO2光陽極，提出了具有梯度孔結(jié)構(gòu)光陽極。因?yàn)樘荻瓤状呋瘜咏Y(jié)構(gòu)可以有效增強(qiáng)質(zhì)量傳輸和光傳輸能力，減小電子傳輸阻力，抑制光生電子-空穴對的復(fù)合，使得的光電化學(xué)性能和對亞甲基藍(lán)的光催化降解性能都有了大幅提升。另外，研究了PMMA造孔劑與TiO2催化劑的比例

11、對梯度孔結(jié)構(gòu)光陽極性能的影響，結(jié)果表明隨著PMMA/TiO2從1：5上升到1：1時，光陽極性能提高，然而當(dāng)繼續(xù)增加PMMA/TiO2到2：1時，光陽極性能反而有所下降。
　　⑤提出了基于光微流體技術(shù)的微型光催化燃料電池，該結(jié)構(gòu)不僅可以可以強(qiáng)化質(zhì)量傳輸，還可以強(qiáng)化光傳輸并使光分布更均勻。結(jié)果表明，基于光微流體技術(shù)的微型光催化燃料電池具有良好的產(chǎn)電性能和廢水降解性能，其對亞甲基藍(lán)的最大降解效率可達(dá)到83.9%。為進(jìn)一步提高光微流體光催