基于膜電極設(shè)計的光催化燃料電池能質(zhì)傳輸和產(chǎn)電特性實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、能源危機(jī)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(yán)峻問題，尤其是水污染問題會嚴(yán)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(guān)注焦點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)往往關(guān)注如何快速高效地去除污染物。但是，廢水中蘊(yùn)含大量的化學(xué)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(jī)。近年來半導(dǎo)體光催化技術(shù)逐漸成為廢水處理研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，其和燃料電池技術(shù)而衍生出的光催化燃料電池技術(shù)可以利用太陽能在降解廢水的同時

2、將廢水中蘊(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)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(dǎo)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(guān)鍵問題尚未解決，例如光能利用率低，電池結(jié)構(gòu)體積大，傳質(zhì)阻力大，電子空穴復(fù)合率高，催化層比表面積低等等。針對以上不足，本文結(jié)合質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了一種基于膜電極設(shè)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(zhì)阻力

3、。主要研究工作包括以下幾個部分：
　?、倩谀る姌O設(shè)計轉(zhuǎn)貼式光陽極的光催化燃料電池
　　利用轉(zhuǎn)貼法設(shè)計和制備了基于膜電極設(shè)計轉(zhuǎn)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(zhuǎn)貼到質(zhì)子交換膜上，最后再與陰極熱壓形成膜電極。實(shí)驗(yàn)研究了光強(qiáng)和流速兩種參數(shù)對基于膜電極設(shè)計轉(zhuǎn)貼式光陽極的光催化燃料電池產(chǎn)電性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)對電池性能影響較大，增大光強(qiáng)可提升電池性能；流速增加導(dǎo)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(jìn)行敏化處理。
　　②基于膜電極設(shè)計濕噴法光陽極的光催化燃料電池
　　針對轉(zhuǎn)貼法光陽極存在的問題，本章設(shè)計和制備了基于膜電極設(shè)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(diǎn)敏化，再與熱壓有陰極的質(zhì)子交換膜結(jié)合構(gòu)成膜電極。結(jié)果表明，與轉(zhuǎn)貼相比，該方法制備的電池性能得到大幅提升。

5、實(shí)驗(yàn)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(qiáng)、流速、電解質(zhì)濃度、有機(jī)物濃度四個參數(shù)對電池性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：提高光強(qiáng)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(zhì)KOH濃度可使得電池產(chǎn)電性能相應(yīng)得到提升；當(dāng)有機(jī)物濃度增大時，電池性能先升高再降低。
　?、刍谀る姌O設(shè)計具有介孔結(jié)構(gòu)可見光

6、響應(yīng)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(dǎo)致電池性能差的問題，本文設(shè)計了基于膜電極設(shè)計具有介孔結(jié)構(gòu)可見光響應(yīng)光陽極的光催化燃料電池，制備了 CdS-ZnS-TiO2/SBA-15四元復(fù)合光陽極并通過 TEM，F(xiàn)E-SEM，BET，UV-vis等方法對光陽極進(jìn)行表征。結(jié)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(shè)計具有介孔結(jié)構(gòu)可見光響應(yīng)光陽極的光催化

7、燃料電池光響應(yīng)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(yīng)特性和運(yùn)行穩(wěn)定性。之后又研究了光強(qiáng)、流速、電解質(zhì)濃度、有機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)、電解質(zhì)濃度的增大，電池的產(chǎn)電性能相應(yīng)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。
　　④基于陰離子交換膜電極設(shè)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(shè)計的光催化燃料電池，采用陰離子交換膜替代質(zhì)子交換膜。對基于陰離子交換膜電極設(shè)計的光催化燃料電池，分別研究了光強(qiáng)、流速、電解質(zhì)濃度、有機(jī)物濃度四個參數(shù)對其性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：增大光強(qiáng)可有效提升電池性能；增大流速會降低電池產(chǎn)電性能；當(dāng)電解質(zhì)KOH濃度由0.1M增加到0.3M，電池產(chǎn)電性能相應(yīng)得到提升；與質(zhì)子交換膜不同，當(dāng)乙醇濃度從1％增加至20%，電池產(chǎn)電性能得到提升。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在相