平铺式无膜微型光催化燃料电池的性能实验研究

摘要

环境污染和能源短缺是当今世界面临的两大难题。其中，废水治理又是环境治理中的重要一环。而蕴含有丰富化学能的废水直接排入自然环境，不仅给生态系统带来了严重威胁，同时浪费了大量资源。寻求一种可以利用废水中蕴含的能量的废水处理方法，不仅可以保护环境，而且能够缓解能源短缺问题。光催化燃料电池恰好可以弥补这些不足，并因其成本低廉、反应条件温和启动迅速而受到广泛关注。
　　光催化燃料电池是一个耦合了物质传输以及光/电/化学反应的的复杂系统，涉及到光的传输、反应物和产物的传输、光生载流子的传输、光生电子-空穴对的分离和复合等过程。这些都与电池结构和光阳极的设计密切相关，影响电池性能。而传统的大尺度有膜光催化燃料电池由于其传质效率低和光程长等问题，限制了电池性能的提升。
　　针对以上存在问题，本文从电池结构入手，设计了阴阳极平铺式无膜微型光催化燃料电池。利用平铺式无膜微型化设计，可以极大地提高电池的比表面积，强化光和物质的传输。同时平铺式无膜设计不仅可以使得电池结构简单，易于与其他微型设备集成，还可以利用层流流动实现阴阳两极的分离，去除了传统电池中需要的离子交换膜。基于该结构设计，本文首先提出了紫外光响应二氧化钛阳极和溶氧铂阴极平铺式无膜微型光催化燃料电池；然后针对氧传输受限问题，提出了紫外光响应二氧化钛阳极平铺式无膜自呼吸铂阴极微型光催化燃料电池；接着针对太阳能利用效率低，提出了可见光响应二氧化钛敏化光阳极平铺式无膜自呼吸铂阴极微型光催化燃料电池；最后，利用CuO和二氧化钛敏化开发了双极可见光响应平铺式无膜自呼吸光催化燃料电池，既降低了电池成本，又进一步提高了太阳能的利用率。针对新开发的微型光催化燃料电池，本文实验研究了其光响应特性和长时间放电特性，并研究了电池在不同运行条件下的性能，包括甲醇浓度、KOH浓度、光照强度、电解液流速等影响因素。研究成果如下：
　　①构建了具有紫外光响应阳极和溶氧型阴极平铺式无膜微型光催化燃料电池，测试了电池的光电响应特性和稳定性，结果表明电池具有良好的光电压和光电流响应特性和良好的稳定性。运行参数影响规律研究表明光照强度、甲醇浓度和KOH浓度的增加均有益电池性能提升，存在一个最佳的流速值，使得电池性能达到最佳。
　　②构建了具有紫外光响应阳极和自呼吸阴极平铺式无膜微型光催化燃料电池以强化阴极的氧气传输。实验研究了电池的光响应特性和运行稳定性。结果发现，电池对紫外光具有良好的响应特性，长时间放电性能较为稳定。实验还研究了运行参数（包括光照强度，甲醇浓度，KOH浓度和电解液流速）对电池性能的影响规律。结果发现，光照强度、甲醇浓度和KOH浓度的增加均可使电池性能得到提升，电池性能随着流速的增加先升高再降低。与溶氧式阴极相比，电池的功率密度提升了3-4倍。
　　③构建了具有可见光响应阳极和自呼吸阴极平铺式无膜微型光催化燃料电池，实现了太阳能利用率的提升。实验研究了电池的光电响应特性和稳定性，结果表明电池具有良好的光响应特性和稳定性；实验还研究了光照强度、甲醇浓度、KOH浓度和电解液流速对电池性能的影响规律，结果表面电池性能随着光照强度、甲醇浓度和KOH浓度的增加而提升；随着电解液流速的增大，电池性能先升高再降低，存在一个最佳的流速值，使得电池性能达到最佳。相比紫外光响应阳极，最大功率密度提升8-9倍。
　　④构建了具有双极可见光响应电极的平铺式无膜自呼吸微型光催化燃料电池，提高了太阳能利用率。同样测试了电池的光电响应特性和稳定性，结果发现，光响应迅速以及长时间放电衰减较慢。实验还研究了运行参数（包括光照强度、甲醇浓度、KOH浓度和电解液流速）对电池性能的影响。结果发现，光照强度、甲醇浓度和 KOH浓度的增加均有益电池性能提升，同样存在一个最佳的流速值，使得电池性能达到最佳。

目录

1 绪 论

1.1引 言

1.2光催化燃料电池

1.3 光催化燃料电池的能质传输过程

1.4研究背景和现状

1.5已有研究工作不足

1.6本文主要工作

2 实验装置和实验方法

2.1实验仪器

2.2 主要化学试剂

2.3 电池的设计

2.4 电极制备与表征

2.5电池组装

2.6 测试系统及测试方法

2.7本章小结

3 紫外光响应阳极溶氧平铺式无膜微型光催化燃料电池

3.1 引言

3.2 光阳极的表征

3.3 光响应及长时间放电特性

3.4光照强度影响

3.5 燃料浓度影响

3.6 KOH浓度影响

3.7电解液流速影响

3.8 本章小结

4 紫外光响应阳极平铺式无膜自呼吸微型光催化燃料电池

4.1 引言

4.2 光阳极的表征

4.3 光响应及长时间放电特性

4.4 光照强度影响

4.5 燃料浓度影响

4.6 KOH浓度影响

4.7电解液流速影响

4.8 性能对比

4.9 本章小结

5 可见光响应阳极平铺式无膜自呼吸微型光催化燃料电池

5.1 引言

5.2 光阳极的表征

5.3 光响应及长时间放电特性

5.4 光照强度影响

5.5 燃料浓度影响

5.6 KOH浓度影响

5.7电解液流速影响

5.8 性能比较

5.9 本章小结

6 双极可见光响应平铺式无膜自呼吸微型光催化燃料电池

6.1 引言

6.2 光阳极和光阴极表征

6.3 光响应及长时间放电特性

6.4 光照强度影响

6.5 燃料浓度影响

6.6 KOH浓度影响

6.7电解液流速影响

6.8 本章小结

7 结论及展望

7.1本文主要结论

7.2本文主要创新点

7.3后续工作与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目