光催化甲醛燃料电池的构筑及其光电化学性质研究
发布时间：2021-08-03 05:08
在短短的数年,能源危机和环境污染问题不断加剧,为了保障人民的生活水平和社会的发展,研发新型清洁能源技术愈加重要。在诸多新兴技术和产业中,光催化燃料电池（PFC）因其具有绿色环保、反应条件温和、来源广泛等优点已经成为了研究的热点。TiO2作为一种经典的半导体阳极材料,因其具有稳定性好、无毒无害、光电响应性强等优点成为了目前使用较为广泛的半导体材料之一。因此,选择半导体材料SrTiO和TiO2进行复合,来进一步提高光催化燃料电池的性能。Cu2O是一种常见的窄带隙半导体阴极材料,其带隙宽度约为2.1 eV。因其环境友好、对可见光利用率高等优点引起了广大研究者的关注。本文制备了 TiO2-SrTiO3复合薄膜,并将其用于光催化甲醛燃料电池的光阳极,探讨了该燃料电池的电化学性能。此外,又设计了以TiO2作为光阳极,Cu2O为光阴极的光催化双光极甲醛燃料电池,并探究了该燃料电池的电荷转移机理和能级图。本文主要工作如下:1.利用水热法在FTO表面生长TiO2纳米棒阵列,再通过二次水热法制备出TiO2-SrTiO3复合薄膜,将其作为光催化甲醛燃料电池的光阳极,来促进甲醛的氧化反应。经过电化学测试,该燃...
【文章来源】：辽宁大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国际能源署预测的在2035年以前全世界的发电情况[1]
第1章引言4图1-2光催化降解有机污染物的过程示意图[11]如图为宽带隙半导体实现可见光降解有机污染物的路径。图中展示出在可见光照射下半导体激发出的光生电子从低电势转移到了高电势，参与O2转变为O2-.的过程，而空穴的转移路径则相反，其参与Org/H2O转变为Org+./HO.的过程。至此，实现了对有机污染物的降解。Jia等[12]成功的制造了BiOCl/硅藻土复合材料，并在模拟太阳光下对环丙沙星（CIP）的去除进行了实验。其结果显示在10分钟光照时间范围内其去除效率为94％，并且在240分钟后的总有机碳（TOC）去除率达到42.9％，展示出BiOCl/硅藻土复合材料具有良好的稳定性和重用性。1.2.2TiO2纳米材料的简介及应用作为一种经典的半导体材料TiO2因其具有来源广泛、稳定性强等优点被广泛的应用于太阳能电池、光催化等各个领域。在TiO2的三种经典的晶型——锐钛矿相、金红石相和板钛矿相中[13]，板钛矿相的光催化性和化学稳定性较差，而不被广泛应用；锐钛矿相TiO2因其具有较大的比表面积来增加其活性，阻止光生电子和空穴的再复合现象，从而被视为应用最广泛的半导体材料，主要应用于以下几个方面：（1）在太阳能电池方面2017年闫浩然[14]在其博士论文中采用了旋涂法制备了多级复合结构的燃料敏化太阳能电池。以石墨烯和TiO2复合材料作为光阳极来提高TiO2对可见光的吸收能力，使器件的光电转化效率达到6.93%，为提高染料敏化太阳能电池
第1章引言5的研究提供了一种可行性路径。（2）在光催化领域的应用作为一种宽带隙半导体TiO2具有良好的光催化性能，其光催化原理如图1-3所示。当光照时TiO2激发出的电子将到达半导体的导带参与还原反应，而空穴则停留在价带参与氧化反应。近年来，许多研究者利用半导体材料对染料和污染物等进行降解，其中TiO2为经典光催化材料。图1-3TiO2光催化过程的示意图[15]2015年，Su[16]等人采用F掺杂的纳米TiO2在可见光下处理含200mg/L的X-3B废水2.5h，其路径图如图1-4所示。该微生物燃料电池的最大输出功率密度(PM)达到了392mW/m2，相比之下，未经光催化处理的PM仅为276mW/m2。同时，X-3B的脱色率在光催化的作用下也从42%提高到56.5%，这些结果证明了TiO2优越的光催化性。随着工业污染物产量的增加，单一的TiO2以满足不了工业的需求，TiO2复合材料的价值由此而生。2019年Rimold[17]等人研究了在低温(100oC)高压釜中制备了TiO2/SnO2样品，并对其光催化性能进行检测。结果显示出，锡的含量对样品的性能具有一定的影响，特别是对结构性能的影响。选取样品对水中的四环素进行光催化降解研究。在紫外线照射下，其对四环素的降解效果较好。总的来说，TiO2基的光电化学（PEC）器件被认为是最有前途的化学工程系统并被广泛的应用于降解、燃料电池，以及PEC传感。
【参考文献】：
博士论文
[1]溴氧化铋的光催化和光电催化性能研究[D]. 鲁莲.浙江大学 2018
[2]基于TiO2薄膜的染料敏化和钙钛矿太阳能电池制备及性能研究[D]. 闫浩然.西南交通大学 2017
硕士论文
[1]基于CuS/Cu2O/Cu光阴极的光催化燃料电池[D]. 陈昕.重庆大学 2018
[2]修饰TiO2光催化燃料电池（PFC）处理染料废水的研究[D]. 杨开.重庆理工大学 2018
本文编号：3318998
【文章来源】：辽宁大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国际能源署预测的在2035年以前全世界的发电情况[1]
第1章引言4图1-2光催化降解有机污染物的过程示意图[11]如图为宽带隙半导体实现可见光降解有机污染物的路径。图中展示出在可见光照射下半导体激发出的光生电子从低电势转移到了高电势，参与O2转变为O2-.的过程，而空穴的转移路径则相反，其参与Org/H2O转变为Org+./HO.的过程。至此，实现了对有机污染物的降解。Jia等[12]成功的制造了BiOCl/硅藻土复合材料，并在模拟太阳光下对环丙沙星（CIP）的去除进行了实验。其结果显示在10分钟光照时间范围内其去除效率为94％，并且在240分钟后的总有机碳（TOC）去除率达到42.9％，展示出BiOCl/硅藻土复合材料具有良好的稳定性和重用性。1.2.2TiO2纳米材料的简介及应用作为一种经典的半导体材料TiO2因其具有来源广泛、稳定性强等优点被广泛的应用于太阳能电池、光催化等各个领域。在TiO2的三种经典的晶型——锐钛矿相、金红石相和板钛矿相中[13]，板钛矿相的光催化性和化学稳定性较差，而不被广泛应用；锐钛矿相TiO2因其具有较大的比表面积来增加其活性，阻止光生电子和空穴的再复合现象，从而被视为应用最广泛的半导体材料，主要应用于以下几个方面：（1）在太阳能电池方面2017年闫浩然[14]在其博士论文中采用了旋涂法制备了多级复合结构的燃料敏化太阳能电池。以石墨烯和TiO2复合材料作为光阳极来提高TiO2对可见光的吸收能力，使器件的光电转化效率达到6.93%，为提高染料敏化太阳能电池
第1章引言5的研究提供了一种可行性路径。（2）在光催化领域的应用作为一种宽带隙半导体TiO2具有良好的光催化性能，其光催化原理如图1-3所示。当光照时TiO2激发出的电子将到达半导体的导带参与还原反应，而空穴则停留在价带参与氧化反应。近年来，许多研究者利用半导体材料对染料和污染物等进行降解，其中TiO2为经典光催化材料。图1-3TiO2光催化过程的示意图[15]2015年，Su[16]等人采用F掺杂的纳米TiO2在可见光下处理含200mg/L的X-3B废水2.5h，其路径图如图1-4所示。该微生物燃料电池的最大输出功率密度(PM)达到了392mW/m2，相比之下，未经光催化处理的PM仅为276mW/m2。同时，X-3B的脱色率在光催化的作用下也从42%提高到56.5%，这些结果证明了TiO2优越的光催化性。随着工业污染物产量的增加，单一的TiO2以满足不了工业的需求，TiO2复合材料的价值由此而生。2019年Rimold[17]等人研究了在低温(100oC)高压釜中制备了TiO2/SnO2样品，并对其光催化性能进行检测。结果显示出，锡的含量对样品的性能具有一定的影响，特别是对结构性能的影响。选取样品对水中的四环素进行光催化降解研究。在紫外线照射下，其对四环素的降解效果较好。总的来说，TiO2基的光电化学（PEC）器件被认为是最有前途的化学工程系统并被广泛的应用于降解、燃料电池，以及PEC传感。
【参考文献】：
博士论文
[1]溴氧化铋的光催化和光电催化性能研究[D]. 鲁莲.浙江大学 2018
[2]基于TiO2薄膜的染料敏化和钙钛矿太阳能电池制备及性能研究[D]. 闫浩然.西南交通大学 2017
硕士论文
[1]基于CuS/Cu2O/Cu光阴极的光催化燃料电池[D]. 陈昕.重庆大学 2018
[2]修饰TiO2光催化燃料电池（PFC）处理染料废水的研究[D]. 杨开.重庆理工大学 2018
本文编号：3318998
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