平鋪式無膜微型光催化燃料電池的性能實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、環(huán)境污染和能源短缺是當(dāng)今世界面臨的兩大難題。其中，廢水治理又是環(huán)境治理中的重要一環(huán)。而蘊(yùn)含有豐富化學(xué)能的廢水直接排入自然環(huán)境，不僅給生態(tài)系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重威脅，同時(shí)浪費(fèi)了大量資源。尋求一種可以利用廢水中蘊(yùn)含的能量的廢水處理方法，不僅可以保護(hù)環(huán)境，而且能夠緩解能源短缺問題。光催化燃料電池恰好可以彌補(bǔ)這些不足，并因其成本低廉、反應(yīng)條件溫和啟動(dòng)迅速而受到廣泛關(guān)注。
　　光催化燃料電池是一個(gè)耦合了物質(zhì)傳輸以及光/電/化學(xué)反應(yīng)的的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及

2、到光的傳輸、反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳輸、光生載流子的傳輸、光生電子-空穴對(duì)的分離和復(fù)合等過程。這些都與電池結(jié)構(gòu)和光陽(yáng)極的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，影響電池性能。而傳統(tǒng)的大尺度有膜光催化燃料電池由于其傳質(zhì)效率低和光程長(zhǎng)等問題，限制了電池性能的提升。
　　針對(duì)以上存在問題，本文從電池結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計(jì)了陰陽(yáng)極平鋪式無膜微型光催化燃料電池。利用平鋪式無膜微型化設(shè)計(jì)，可以極大地提高電池的比表面積，強(qiáng)化光和物質(zhì)的傳輸。同時(shí)平鋪式無膜設(shè)計(jì)不僅可以使得電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易

3、于與其他微型設(shè)備集成，還可以利用層流流動(dòng)實(shí)現(xiàn)陰陽(yáng)兩極的分離，去除了傳統(tǒng)電池中需要的離子交換膜?；谠摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文首先提出了紫外光響應(yīng)二氧化鈦陽(yáng)極和溶氧鉑陰極平鋪式無膜微型光催化燃料電池；然后針對(duì)氧傳輸受限問題，提出了紫外光響應(yīng)二氧化鈦陽(yáng)極平鋪式無膜自呼吸鉑陰極微型光催化燃料電池；接著針對(duì)太陽(yáng)能利用效率低，提出了可見光響應(yīng)二氧化鈦敏化光陽(yáng)極平鋪式無膜自呼吸鉑陰極微型光催化燃料電池；最后，利用CuO和二氧化鈦敏化開發(fā)了雙極可見光響應(yīng)平鋪式

4、無膜自呼吸光催化燃料電池，既降低了電池成本，又進(jìn)一步提高了太陽(yáng)能的利用率。針對(duì)新開發(fā)的微型光催化燃料電池，本文實(shí)驗(yàn)研究了其光響應(yīng)特性和長(zhǎng)時(shí)間放電特性，并研究了電池在不同運(yùn)行條件下的性能，包括甲醇濃度、KOH濃度、光照強(qiáng)度、電解液流速等影響因素。研究成果如下：
　　①構(gòu)建了具有紫外光響應(yīng)陽(yáng)極和溶氧型陰極平鋪式無膜微型光催化燃料電池，測(cè)試了電池的光電響應(yīng)特性和穩(wěn)定性，結(jié)果表明電池具有良好的光電壓和光電流響應(yīng)特性和良好的穩(wěn)定性。運(yùn)行參數(shù)

5、影響規(guī)律研究表明光照強(qiáng)度、甲醇濃度和KOH濃度的增加均有益電池性能提升，存在一個(gè)最佳的流速值，使得電池性能達(dá)到最佳。
　?、跇?gòu)建了具有紫外光響應(yīng)陽(yáng)極和自呼吸陰極平鋪式無膜微型光催化燃料電池以強(qiáng)化陰極的氧氣傳輸。實(shí)驗(yàn)研究了電池的光響應(yīng)特性和運(yùn)行穩(wěn)定性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電池對(duì)紫外光具有良好的響應(yīng)特性，長(zhǎng)時(shí)間放電性能較為穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)還研究了運(yùn)行參數(shù)（包括光照強(qiáng)度，甲醇濃度，KOH濃度和電解液流速）對(duì)電池性能的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光照強(qiáng)度、甲醇濃

6、度和KOH濃度的增加均可使電池性能得到提升，電池性能隨著流速的增加先升高再降低。與溶氧式陰極相比，電池的功率密度提升了3-4倍。
　　③構(gòu)建了具有可見光響應(yīng)陽(yáng)極和自呼吸陰極平鋪式無膜微型光催化燃料電池，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能利用率的提升。實(shí)驗(yàn)研究了電池的光電響應(yīng)特性和穩(wěn)定性，結(jié)果表明電池具有良好的光響應(yīng)特性和穩(wěn)定性；實(shí)驗(yàn)還研究了光照強(qiáng)度、甲醇濃度、KOH濃度和電解液流速對(duì)電池性能的影響規(guī)律，結(jié)果表面電池性能隨著光照強(qiáng)度、甲醇濃度和KOH濃度

7、的增加而提升；隨著電解液流速的增大，電池性能先升高再降低，存在一個(gè)最佳的流速值，使得電池性能達(dá)到最佳。相比紫外光響應(yīng)陽(yáng)極，最大功率密度提升8-9倍。
　?、軜?gòu)建了具有雙極可見光響應(yīng)電極的平鋪式無膜自呼吸微型光催化燃料電池，提高了太陽(yáng)能利用率。同樣測(cè)試了電池的光電響應(yīng)特性和穩(wěn)定性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光響應(yīng)迅速以及長(zhǎng)時(shí)間放電衰減較慢。實(shí)驗(yàn)還研究了運(yùn)行參數(shù)（包括光照強(qiáng)度、甲醇濃度、KOH濃度和電解液流速）對(duì)電池性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光照強(qiáng)度、甲