光助燃料电池的构建及性能研究

发布时间：2020-02-05 08:58

【摘要】：随着化石燃料的日趋枯竭以及化石燃料燃烧所引起的环境危机,新能源以及能源利用的新方式引起了人们越来越多的关注。太阳能和生物质是自然界中的两大可再生资源,它们的开发和利用将减少人类对化石资源的依赖,是解决能源短缺和环境问题的理想途径之一。燃料电池技术具有能量转化效率高、对环境干扰小(零或者低排放)、操作方便、启动快速等重要优点而被认为是一种非常有前景的先进能源技术。光助燃料电池(photo-assisted fuel cell,PFC)可在较温和条件下高效转化并能将太阳能和生物质能同时转化为电能,以光响应的半导体材料作为电极催化剂,生物质分子作为燃料,具有燃料来源广泛催化剂不易中毒可减少或避免贵金属的使用、常温下工作、开发利用可再生能源等优点。光电极(光阳极或光阴极)作为PFC的核心,是决定电池性能最重要的因素之一。目前,PFC的研究主要集中在光阳极,所使用的材料大多数为紫外光响应的半导体如TiO_2,导致太阳能利用效率低下。而可见光响应的光阳极材料尚缺少研究,同时光阴极的报道甚少。本论文对可见光响应的光阳极和对分子氧有光电催化作用的光阴极进行研究,并构建了单光电极燃料电池完全无Pt的双光电极燃料电池系统,对光电极的性质及电池性能等问题进行了深入研究。获得如下主要结果:(1)通过电化学沉积的方法在FTO上制备钒酸铋(BiVO4)光阳极。其吸光带边为526 nm,以其为光阳极,Pt/C为阴极,葡萄糖作为生物质燃料构建了微型自呼吸PFC装置,并成功输出电能。进一步采用W掺杂BiVO4,PFC的放电功率提高了6.6倍,在模拟太阳光(AM 1.5G,100 mW cm 2)照射下,获得了Voc=0.92 V,Jsc=1.62 mA cm 2和Pmax=0.38 mW cm 2的电池性能,太阳能转化效率为0.38%。研究结果表明,W掺杂Bi VO4光电氧化性能的显著提高归因于电荷分离效率的提高和电荷在电极和溶液界面的加速转移。除葡萄糖外,其他多种生物质衍生物,如甲醇、甘油、纤维二糖等均可作为该PFC的燃料。(2)合成具有光电催化氧还原反应(ORR)活性的阴极材料—聚三噻吩(pTTh),并对其反应机理进行了深入的探讨。结果表明,该催化剂光照下还原O_2的活性相对于暗态电催化ORR的活性有极大的提高,起始电位从0.66 V正移到1.34 V,比Pt/C的起始电位正0.24 V。旋转环盘电极(RRDE)测试表明pTTh在暗态和光照下的ORR都是2e-反应机理。将pTTh和Pt/C分别作为阴极阳极构建概念型光驱动H2-O_2燃料电池,光照时,电池开路电压从0.64 V增大到1.18 V,这比阴阳极都是Pt/C催化剂的燃料电池的开压(0.97 V)还高0.2 V。该结果被归属为氧还原化学反应或H2-O_2燃料电池反应与有机太阳能电池的耦合,从而得到更高电压的电池输出。(3)以W掺杂BiVO4为光阳极,pTTh为光阴极,构建了无隔膜的双光电极PFC,考察平行光照和垂直光照两种光照模式(AM 1.5G)下,电池的放电性能。以葡萄糖为燃料,平行光照时,得到Voc=0.66 V,Jsc=287μA cm 2和Pmax=41μW cm 2的电池性能;垂直光照时,电池性能进一步提高,Jsc和Pmax分别是平行光照的2.5和2倍,达到775μA cm 2和82μW cm 2,太阳能转化效率约为0.1%,放电稳定性较好。这种无膜、无酶、无贵金属、光驱动的双光电极PFC为太阳能的转化提供了一种简单、低价、稳定的方式。(4)研究了甲酸燃料电池阳极甲酸氧化反应。使用一种简单的溶剂热法,通过导向剂油酸的调控,合成了大小均一,由二维纳米片组成的具有三维结构的Pd纳米花。该Pd纳米花具有比商业Pd/C更好电催化甲酸氧化的活性和稳定性。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4;O643.36

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