基于膜電極設計的光催化燃料電池能質傳輸和產(chǎn)電特性實驗研究.pdf

1、能源危機和環(huán)境污染是人類未來可持續(xù)發(fā)展所面臨的兩大嚴峻問題，尤其是水污染問題會嚴重影響水體生態(tài)系統(tǒng)和威脅人類健康。因此，污水處理已成為人們的關注焦點之一。傳統(tǒng)的污水處理技術往往關注如何快速高效地去除污染物。但是，廢水中蘊含大量的化學能，若是能在處理過程中加以回收利用，不但可以減少環(huán)境污染，同時也能緩解能源危機。近年來半導體光催化技術逐漸成為廢水處理研究領域的熱點，其和燃料電池技術而衍生出的光催化燃料電池技術可以利用太陽能在降解廢水的同時

2、將廢水中蘊含的化學能轉化為電能，實現(xiàn)廢水的資源化利用，極具發(fā)展前景。并且，光催化燃料電池使用廉價半導體代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料電池的貴金屬催化劑，降低了電池成本。但是，目前光催化燃料電池仍有許多關鍵問題尚未解決，例如光能利用率低，電池結構體積大，傳質阻力大，電子空穴復合率高，催化層比表面積低等等。針對以上不足，本文結合質子交換膜燃料電池膜電極結構設計，提出了一種基于膜電極設計的光催化燃料電池，使電池系統(tǒng)更為緊湊，使用更為靈活，減小了電池內(nèi)的傳質阻力

3、。主要研究工作包括以下幾個部分：
　?、倩谀る姌O設計轉貼式光陽極的光催化燃料電池
　　利用轉貼法設計和制備了基于膜電極設計轉貼式光陽極的光催化燃料電池。該方法先將二氧化鈦噴涂在PTFE薄膜上，再通過熱壓將催化層轉貼到質子交換膜上，最后再與陰極熱壓形成膜電極。實驗研究了光強和流速兩種參數(shù)對基于膜電極設計轉貼式光陽極的光催化燃料電池產(chǎn)電性能的影響。結果發(fā)現(xiàn)光強對電池性能影響較大，增大光強可提升電池性能；流速增加導致電池性能下降

4、，但下降幅度較小。但是，該方法制備的電池性能較差，主要是由于受限于膜材料，該方法制備的光陽極無法在高溫下煅燒且不能進行敏化處理。
　?、诨谀る姌O設計濕噴法光陽極的光催化燃料電池
　　針對轉貼法光陽極存在的問題，本章設計和制備了基于膜電極設計濕噴法光陽極的光催化燃料電池。該方法是將二氧化鈦先噴涂在碳紙表面，煅燒處理后量子點敏化，再與熱壓有陰極的質子交換膜結合構成膜電極。結果表明，與轉貼相比，該方法制備的電池性能得到大幅提升。

5、實驗研究了電解液環(huán)境和敏化兩個參數(shù)對電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)堿性環(huán)境下的電池的性能最好，敏化后可拓寬光譜吸收范圍，提高了太陽能利用率及電池性能。之后研究了光強、流速、電解質濃度、有機物濃度四個參數(shù)對電池性能的影響規(guī)律。結果表明：提高光強可產(chǎn)生更多的電子空穴對，可大幅提升性能；增大流速會降低電池產(chǎn)電性能；提高電解質KOH濃度可使得電池產(chǎn)電性能相應得到提升；當有機物濃度增大時，電池性能先升高再降低。
　?、刍谀る姌O設計具有介孔結構可見光

6、響應光陽極的光催化燃料電池
　　針對目前光催化燃料電池光陽極的比表面積低導致電池性能差的問題，本文設計了基于膜電極設計具有介孔結構可見光響應光陽極的光催化燃料電池，制備了 CdS-ZnS-TiO2/SBA-15四元復合光陽極并通過 TEM，F(xiàn)E-SEM，BET，UV-vis等方法對光陽極進行表征。結果發(fā)現(xiàn)SBA-15明顯增大了催化層的比表面積，并可以吸附更多的敏化劑。此外，還研究了基于膜電極設計具有介孔結構可見光響應光陽極的光催化

7、燃料電池光響應特性和長時間放電特性，發(fā)現(xiàn)該電池具有良好的光響應特性和運行穩(wěn)定性。之后又研究了光強、流速、電解質濃度、有機物濃度、SBA-15摻雜比例等參數(shù)對電池產(chǎn)電性能的影響。實驗結果表明電池在堿性環(huán)境下性能優(yōu)于中性環(huán)境。此外，隨著光強、電解質濃度的增大，電池的產(chǎn)電性能相應得到提升,隨著流速的增大電池性能下降，隨著乙醇濃度和SBA-15摻雜比例的增大，電池性能先上升后下降，存在最優(yōu)工況。
　?、芑陉庪x子交換膜電極設計的光催化燃料

8、電池
　　本文也研究了基于陰離子交換膜電極設計的光催化燃料電池，采用陰離子交換膜替代質子交換膜。對基于陰離子交換膜電極設計的光催化燃料電池，分別研究了光強、流速、電解質濃度、有機物濃度四個參數(shù)對其性能的影響規(guī)律，結果表明：增大光強可有效提升電池性能；增大流速會降低電池產(chǎn)電性能；當電解質KOH濃度由0.1M增加到0.3M，電池產(chǎn)電性能相應得到提升；與質子交換膜不同，當乙醇濃度從1％增加至20%，電池產(chǎn)電性能得到提升。實驗還發(fā)現(xiàn)，在相