具有自呼吸阴极的可见光响应光催化燃料电池中的传质和产电耦合特性及性能强化

摘要

随着社会的快速发展，化石能源日益枯竭所导致能源危机和环境污染成为全世界所面临的两大严重问题，尤其是水污染问题日益突出。因此，寻求清洁能源，发展清洁高效的废水资源化利用技术具有重要意义。光催化燃料电池技术是近年来新兴的一个研究方向，它融合了半导体光催化技术和燃料电池技术的优点，可以有效利用太阳能，通过光电化学反应直接将有机废水中的化学能转化为电能，同时起到降解废水的功能。因此，光催化燃料电池可以实现处理废水同时产电，这不仅有利于缓解当前面临的能源危机，还能控制环境污染。光催化燃料电池的阳极使用半导体材料替代了传统燃料电池中的贵重金属催化剂，这大幅降低了燃料电池的成本。另外，光催化燃料电池阳极的半导体光催化反应能够降解大部分的有机污染物。同时，光催化燃料电池还具有产物无污染，操作条件简单等优点，因而受到了广泛的关注。
　　光催化燃料电池是一个耦合光/电/化学反应的物质传输、光传输和光生电子-空穴分离及迁移的复杂过程，而这都与光阳极的结构和反应器的设计密切相关，进而影响电池的产电特性。虽然光催化燃料电池已经被广泛研究，但对其中的传输和产电的耦合特性还不明晰，依然还存在着很多问题亟待解决，如光能利用率低、光电流密度低、输出功率密度低、电子-空穴复合严重等。
　　针对以上问题，本文首先构建了具有自呼吸阴极和可见光响应光阳极的光催化燃料电池，既强化了氧气传输又提高了光能利用率；基于该电池，对电池的传质和产电耦合特性进行了研究；并从电池和光阳极的结构设计出发，提出新型的光阳极和微型光催化燃料电池，强化电池的产电性能。研究内容主要包括：
　　（1）研究了该电池在不同的电解液环境和利用不同种类的有机废水作为燃料时的产电性能。
　　（2）研究了光催化燃料电池阴阳两极各自的极化特性，考察了运行参数（包括燃料浓度、电解质浓度、光照强度和氧气浓度）对于电池光阳极和阴极各自性能的影响规律及其对电池整体产电性能的作用规律。
　　（3）提出了一种三元CdS-SiO2-TiO2复合结构光阳极，研究了该复合光阳极的光电化学性能。
　　（4）提出了一种由TiO2纳米晶体层、TiO2微孔层和TiO2大孔层组成的新型梯度孔结构光阳极，研究了该光阳极的光电化学活性和光催化活性，并探究了该光阳极中光传输和质量传输对光电化学反应的影响机制。
　　（5）提出了一种新型的基于光微流体技术的光催化燃料电池，研究了该电池的产电和废水降解特性；提出了一种新型内置玻璃纤维丝的光微流体反应器，研究了底物传输特性及其与光催化反应的耦合特性。主要研究成果如下：
　　①构建了具有自呼吸阴极和可见光响应阳极的光催化燃料电池，研究了该电池在不同的电解液环境和利用不同种类的有机废水作为燃料时的产电性能。研究发现在碱性环境中，由于电极的反应速率和电荷传输都得以提高，同时碱性环境会抑制光敏化剂的光分解，所以光催化燃料电池在碱性环境中的产电性能明显高于中性环境。而且光催化燃料电池在利用多种醇类和糖类物质作为燃料时都表现出了良好的产电性能，当使用甲醇和葡萄糖作为燃料时获得了最佳的产电性能。这说明当电池使用分子结构越简单、碳链长度越短的有机物作为燃料时，其获得的产电性能越好。此外，该电池在处理多种实际废水产电时也获得了令人满意的性能。
　　②利用三电极体系，研究了光催化燃料电池阴阳两极各自的极化特性，考察了运行参数对于光阳极和自呼吸阴极各自性能的影响规律。研究发现当燃料浓度从1％增加到10%时，光阳极的性能由于传质能力的增强而提高，阴极的性能由于混合电位的增加而下降。然而，由于电池的整体性能主要受光阳极影响，光催化燃料电池整体性能随燃料浓度的增加而得以提升。当燃料浓度进一步提高到40%时，离子电导率减小，导致电池的电压下降。对于电解质浓度的影响，电池的性能随着电解质浓度的增加而提高。这主要是因为电解质浓度的增加可以提高光阳极和阴极的反应动力学，同时提高离子电导率。此外，光照强度会严重影响光阳极的电位。较高的光强会在阳极产生更多的电子-空穴对，从而加速光电化学反应速率。而氧气浓度会影响阴极的电位。增加氧气浓度可以促进阴极氧还原反应，从而提升电池的性能。
　　③提出了一种新型CdS-SiO2-TiO2三元复合结构光阳极来提升电池的光电化学性能。在CdS-SiO2-TiO2复合体系中，CdS颗粒一方面可以提高光阳极的可见光吸收性能，另一方面也有助于光生电子在复合电极内部的快速传递。而在TiO2颗粒之间掺杂一定量的绝缘体SiO2颗粒，可以抑制电子-空穴的复合。另外，SiO2纳米颗粒还具有良好的物理吸附特性，可以吸附更多的 CdS光敏化剂，从而提高光电流密度。另外，也研究了SiO2含量对CdS-SiO2-TiO2复合结构光阳极性能的影响。研究表明随着 SiO2含量从2%增加到10%时，光阳极性能提高，然而当继续增加SiO2含量到30%时，光阳极性能反而大幅下降。
　　④不同于传统的只有单一孔结构的TiO2光阳极，提出了具有梯度孔结构光阳极。因为梯度孔催化层结构可以有效增强质量传输和光传输能力，减小电子传输阻力，抑制光生电子-空穴对的复合，使得的光电化学性能和对亚甲基蓝的光催化降解性能都有了大幅提升。另外，研究了PMMA造孔剂与TiO2催化剂的比例对梯度孔结构光阳极性能的影响，结果表明随着PMMA/TiO2从1：5上升到1：1时，光阳极性能提高，然而当继续增加PMMA/TiO2到2：1时，光阳极性能反而有所下降。
　　⑤提出了基于光微流体技术的微型光催化燃料电池，该结构不仅可以可以强化质量传输，还可以强化光传输并使光分布更均匀。结果表明，基于光微流体技术的微型光催化燃料电池具有良好的产电性能和废水降解性能，其对亚甲基蓝的最大降解效率可达到83.9%。为进一步提高光微流体光催化燃料电池的传质能力，提出了一种新型内置玻璃纤维丝的光微流体反应器，其中TiO2催化剂负载于玻璃纤维丝表面。相比于传统平板式光微流体反应器，内置玻璃纤维丝的光微流体反应器可以强化传质和缩短光程，从而提高亚甲基蓝的光催化降解效率，其降解效率可以提升40%左右，而且其反应速率提高了2到3倍。内置玻璃纤维丝的光微流体反应器除了具有较高的传质能力外，它独特的催化剂负载方式还可以进一步扩大光微流体反应器的比表面积。

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1 绪 论

1.1 前言

1.2 光催化燃料电池

1.3 PFC的国内外研究现状

1.4 PFC的传质过程

1.5 本课题的主要工作

2 实验装置及实验方法

2.1 实验仪器和试剂

2.2 PFC电极的制备

2.3 光阳极性能评价参数及测试方法

2.4 PFC性能评价参数及测试方法

3 具有自呼吸阴极和可见光响应阳极光催化燃料电池的产电

3.1 引言

3.2 实验材料和方法

3.3 实验结果和分析

3.4 本章小结

4 PFC阴阳极极化特性

4.1 引言

4.2 实验材料和方法

4.3 结果和讨论

4.4 本章小结

5 多元协同CdS-SiO2-TiO2复合光阳极

5.1 引言

5.2 CdS-SiO2-TiO2复合光阳极的制备

5.3 实验结果和分析

5.4 本章小结

6 具有梯度孔结构的光阳极

6.1 引言

6.2 孔梯度结构光阳极的制备

6.3 结果和讨论

6.4 本章小结

7 基于光微流体技术的光催化燃料电池

7.1 引言

7.2 光微流体PFC的结构设计

7.3 反应器的制作和测试方法

7.4 结果与讨论

7.5 本章小结

8 结论与展望

8.1 本文主要结论

8.2 本文主要创新点

8.3 后继研究工作展望

致谢

参考文献

附录