平鋪式無膜微型光催化燃料電池的性能實驗研究.pdf

1、環(huán)境污染和能源短缺是當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)。而蘊含有豐富化學能的廢水直接排入自然環(huán)境，不僅給生態(tài)系統(tǒng)帶來了嚴重威脅，同時浪費了大量資源。尋求一種可以利用廢水中蘊含的能量的廢水處理方法，不僅可以保護環(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這些不足，并因其成本低廉、反應(yīng)條件溫和啟動迅速而受到廣泛關(guān)注。
　　光催化燃料電池是一個耦合了物質(zhì)傳輸以及光/電/化學反應(yīng)的的復雜系統(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-空穴對的分離和復合等過程。這些都與電池結(jié)構(gòu)和光陽極的設(shè)計密切相關(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)效率低和光程長等問題，限制了電池性能的提升。
　　針對以上存在問題，本文從電池結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計了陰陽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，可以極大地提高電池的比表面積，強化光和物質(zhì)的傳輸。同時平鋪式無膜設(shè)計不僅可以使得電池結(jié)構(gòu)簡單，易

3、于與其他微型設(shè)備集成，還可以利用層流流動實現(xiàn)陰陽兩極的分離，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，本文首先提出了紫外光響應(yīng)二氧化鈦陽極和溶氧鉑陰極平鋪式無膜微型光催化燃料電池；然后針對氧傳輸受限問題，提出了紫外光響應(yīng)二氧化鈦陽極平鋪式無膜自呼吸鉑陰極微型光催化燃料電池；接著針對太陽能利用效率低，提出了可見光響應(yīng)二氧化鈦敏化光陽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，又進一步提高了太陽能的利用率。針對新開發(fā)的微型光催化燃料電池，本文實驗研究了其光響應(yīng)特性和長時間放電特性，并研究了電池在不同運行條件下的性能，包括甲醇濃度、KOH濃度、光照強度、電解液流速等影響因素。研究成果如下：
　?、贅?gòu)建了具有紫外光響應(yīng)陽極和溶氧型陰極平鋪式無膜微型光催化燃料電池，測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。運行參數(shù)

5、影響規(guī)律研究表明光照強度、甲醇濃度和KOH濃度的增加均有益電池性能提升，存在一個最佳的流速值，使得電池性能達到最佳。
　?、跇?gòu)建了具有紫外光響應(yīng)陽極和自呼吸陰極平鋪式無膜微型光催化燃料電池以強化陰極的氧氣傳輸。實驗研究了電池的光響應(yīng)特性和運行穩(wěn)定性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電池對紫外光具有良好的響應(yīng)特性，長時間放電性能較為穩(wěn)定。實驗還研究了運行參數(shù)（包括光照強度，甲醇濃度，KOH濃度和電解液流速）對電池性能的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光照強度、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。
　?、蹣?gòu)建了具有可見光響應(yīng)陽極和自呼吸陰極平鋪式無膜微型光催化燃料電池，實現(xiàn)了太陽能利用率的提升。實驗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；實驗還研究了光照強度、甲醇濃度、KOH濃度和電解液流速對電池性能的影響規(guī)律，結(jié)果表面電池性能隨著光照強度、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，存在一個最佳的流速值，使得電池性能達到最佳。相比紫外光響應(yīng)陽極，最大功率密度提升8-9倍。
　　④構(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，提高了太陽能利用率。同樣測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)迅速以及長時間放電衰減較慢。實驗還研究了運行參數(shù)（包括光照強度、甲醇濃度、KOH濃度和電解液流速）對電池性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光照強度、甲