發(fā)布時間：2020-02-05 08:58

【摘要】：隨著化石燃料的日趨枯竭以及化石燃料燃燒所引起的環(huán)境危機,新能源以及能源利用的新方式引起了人們越來越多的關(guān)注。太陽能和生物質(zhì)是自然界中的兩大可再生資源,它們的開發(fā)和利用將減少人類對化石資源的依賴,是解決能源短缺和環(huán)境問題的理想途徑之一。燃料電池技術(shù)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、對環(huán)境干擾小(零或者低排放)、操作方便、啟動快速等重要優(yōu)點而被認為是一種非常有前景的先進能源技術(shù)。光助燃料電池(photo-assisted fuel cell,PFC)可在較溫和條件下高效轉(zhuǎn)化并能將太陽能和生物質(zhì)能同時轉(zhuǎn)化為電能,以光響應(yīng)的半導(dǎo)體材料作為電極催化劑,生物質(zhì)分子作為燃料,具有燃料來源廣泛催化劑不易中毒可減少或避免貴金屬的使用、常溫下工作、開發(fā)利用可再生能源等優(yōu)點。光電極(光陽極或光陰極)作為PFC的核心,是決定電池性能最重要的因素之一。目前,PFC的研究主要集中在光陽極,所使用的材料大多數(shù)為紫外光響應(yīng)的半導(dǎo)體如TiO_2,導(dǎo)致太陽能利用效率低下。而可見光響應(yīng)的光陽極材料尚缺少研究,同時光陰極的報道甚少。本論文對可見光響應(yīng)的光陽極和對分子氧有光電催化作用的光陰極進行研究,并構(gòu)建了單光電極燃料電池完全無Pt的雙光電極燃料電池系統(tǒng),對光電極的性質(zhì)及電池性能等問題進行了深入研究。獲得如下主要結(jié)果:(1)通過電化學(xué)沉積的方法在FTO上制備釩酸鉍(BiVO4)光陽極。其吸光帶邊為526 nm,以其為光陽極,Pt/C為陰極,葡萄糖作為生物質(zhì)燃料構(gòu)建了微型自呼吸PFC裝置,并成功輸出電能。進一步采用W摻雜BiVO4,PFC的放電功率提高了6.6倍,在模擬太陽光(AM 1.5G,100 mW cm 2)照射下,獲得了Voc=0.92 V,Jsc=1.62 mA cm 2和Pmax=0.38 mW cm 2的電池性能,太陽能轉(zhuǎn)化效率為0.38%。研究結(jié)果表明,W摻雜Bi VO4光電氧化性能的顯著提高歸因于電荷分離效率的提高和電荷在電極和溶液界面的加速轉(zhuǎn)移。除葡萄糖外,其他多種生物質(zhì)衍生物,如甲醇、甘油、纖維二糖等均可作為該PFC的燃料。(2)合成具有光電催化氧還原反應(yīng)(ORR)活性的陰極材料—聚三噻吩(pTTh),并對其反應(yīng)機理進行了深入的探討。結(jié)果表明,該催化劑光照下還原O_2的活性相對于暗態(tài)電催化ORR的活性有極大的提高,起始電位從0.66 V正移到1.34 V,比Pt/C的起始電位正0.24 V。旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極(RRDE)測試表明pTTh在暗態(tài)和光照下的ORR都是2e-反應(yīng)機理。將pTTh和Pt/C分別作為陰極陽極構(gòu)建概念型光驅(qū)動H2-O_2燃料電池,光照時,電池開路電壓從0.64 V增大到1.18 V,這比陰陽極都是Pt/C催化劑的燃料電池的開壓(0.97 V)還高0.2 V。該結(jié)果被歸屬為氧還原化學(xué)反應(yīng)或H2-O_2燃料電池反應(yīng)與有機太陽能電池的耦合,從而得到更高電壓的電池輸出。(3)以W摻雜BiVO4為光陽極,pTTh為光陰極,構(gòu)建了無隔膜的雙光電極PFC,考察平行光照和垂直光照兩種光照模式(AM 1.5G)下,電池的放電性能。以葡萄糖為燃料,平行光照時,得到Voc=0.66 V,Jsc=287μA cm 2和Pmax=41μW cm 2的電池性能;垂直光照時,電池性能進一步提高,Jsc和Pmax分別是平行光照的2.5和2倍,達到775μA cm 2和82μW cm 2,太陽能轉(zhuǎn)化效率約為0.1%,放電穩(wěn)定性較好。這種無膜、無酶、無貴金屬、光驅(qū)動的雙光電極PFC為太陽能的轉(zhuǎn)化提供了一種簡單、低價、穩(wěn)定的方式。(4)研究了甲酸燃料電池陽極甲酸氧化反應(yīng)。使用一種簡單的溶劑熱法,通過導(dǎo)向劑油酸的調(diào)控,合成了大小均一,由二維納米片組成的具有三維結(jié)構(gòu)的Pd納米花。該Pd納米花具有比商業(yè)Pd/C更好電催化甲酸氧化的活性和穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.4;O643.36

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本文編號：2576604