以水溶性多金屬氧酸鹽作為光催化劑和電子載體構建了一種新型光催化燃料電池。 該光催化燃料電池發生燃料的均相光催化降解反應，可實現在無光照情況下的持續放電。
使用生物柴油副產物甘油作為燃料時，該光催化燃料電池的輸出功率達0.24mW/cm2。在持續光照條件下，電池可長時間運轉近50h，電流穩定在0.75mA/cm2以上。
甘油在電池中可持續循環放電，根據實際的反應程度可被轉化為醛和酸，進一步氧化得到COx。 對多種有機燃料的套用表明該光催化燃料電池具有廣泛的適用性。
基本介紹
- 中文名：金屬-氧燃料電池
- 原料：水溶性多金屬氧酸鹽
- 種類：新型光催化燃料電池
- 原理：均相光催化降解反應
- 領域：能源電池
簡介,實驗部分,光催化電池電解液的製備,電池的組裝和測試,優點,
簡介
隨著工業的快速發展，傳統的石化資源日益枯竭且帶來的污染日益嚴重，開發利用乾淨、可靠和可再生的能源已成為亟待解決的問題。但可再生能源僅占到全球能源消耗的2%。光催化燃料電池(PFC)利用太陽光能來驅動有機物質的氧化反應從而產生清潔電能，可以收到多重的環境效益。
光催化燃料電池的重要組成部件是光陽極，一般為過渡金屬氧化物半導體，如TiO2和SnO2等。光陽極的金屬氧化物材料通過吸收光能成為激發態，產生空穴與光生電子。光生空穴具有較強的氧化性，能夠將電解液中的有機分子( 燃料) 氧化分解，從而獲得由有機分子提供的電子。光生電子則通過外電路轉移到電池陰極，被氧氣捕獲，同時產生電流。光催化燃料電池由於能夠利用可再生的有機質能源甚至有機污水產生清潔的電能，因此受到廣泛的關注。
聚合物質子膜燃料電池(PEMFC) 也能將小分子的有機燃料，如甲醇和乙醇，轉化為電能。然而大多數的PEMFCs需要使用Pt，Ru，Pd等貴金屬作為陽極催化劑，而這些貴金屬催化劑僅對小分子的醇燃料有效。對於含多個碳原子的醇分子，低溫催化條件下C—C鍵難以斷裂。
此外，貴金屬陽極催化劑對燃料中的雜質非常敏感，容易中毒失活。而光催化燃料電池的金屬氧化物陽極則具有比貴金屬催化劑更好的穩定性，不易受到燃料中的微量雜質及氧化中間產物的影響。由於光催化反應對有機底物沒有選擇性，因此，光催化燃料電池可利用的有機燃料不只局限於醇類。各種水溶性的複雜生物質有機分子，甚至有機廢水、污水也可以用來發電。藉助於光催化反應中產生的強氧化性光生空穴，有機燃料分子能夠得到徹底降解，分子中所有的C—C鍵都被打開，轉化成為CO2。對燃料的廣泛選擇性和高效深度利用是光催化燃料電池的2個優點。
甘油作為低成本的生物柴油副產品，具有安全無毒、能量密度高、非易燃、無揮發等優點，是一種理想的可用於燃料電池的液體燃料。
實驗部分
光催化電池電解液的製備
將一定量的PMo12和甘油混合併加水稀釋至25mL，根據加入量分別計算出相應的PMo12和甘油濃度。將PMo12和甘油的混合液在模擬太陽光源下照射7h，照射距離10cm，光能量密度100mW/cm2，混合液的顏色由黃色逐漸變成深藍色。
電池的組裝和測試
商品化膜電極(MEA) 購自美國Fuel Cells Etc公司，包括陽極、陰極和Nafion117膜。陽極由沒有負載催化劑的單純碳布電極構成(4cm×4cm) ，陰極則由負載有60%Pt/C(5mg/cm2)的催化劑層和碳布電極組成。
用作Pt/C催化劑載體的活性炭粒徑為74um，比表面積為90m2/g。Pt/C催化劑中納米Pt粒子的晶粒大小為4.0～5.5nm，比表面積為60m2/g。電池兩極殼體由兩塊帶有蛇形槽的高密度石墨板組成，槽寬3.5mm，深2mm，總有效面積7.5cm2。
膜電極夾在兩塊石墨板之間，在流動槽一圈加上橡膠墊圈，用樹脂塑膠鉚緊防止液體側漏。實驗過程中，陽極側電解液通過蠕動泵可在陽極槽與光催化石英容器中循環流動，陰極側則通入壓縮空氣。陽極側液體流速為12mL/min，陰極側空氣流速為75mL/min，壓強1.013×105Pa，電池操作運行溫度25 ℃(室溫)。
在電化學工作站上採用控制電位法測試電流-電壓曲線。為了考察電池的循環使用性能，進行了5次重複測試。每次循環測試實驗中，電極放電後的PMo12和燃料混合液重新暴露在AM-1.5模擬太陽光下照射7h，然後再泵入電池的陽極中，在無光條件下充分放電8h直至電流小於0.03mA/cm2。
在連續放電實驗中，將透明石英容器放在AM-1.5模擬太陽光下連續照射，陽極電池原液通過蠕動泵在陽極流動槽和光催化石英容器中反覆循環流動，放電和光催化反應同時進行。電池光照和放電過程中產生的氣體通過氦氣置換收集，並在Varian 490 micro-GC氣相色譜上進行分析。
優點
以水溶性的多金屬氧酸鹽PMo12作為光催化劑構建了一種新型的光催化燃料電池。分析了該光催化電池的工作原理和電池性能，並考察了不同燃料對該電池的適應性。結果表明，電子載體PMo12和甘油濃度的增加均可提高電池的功率; 燃料甘油在電池中經循環多次使用後電池功率有所增加; 在持續光照和循環放電條件下，電池可以保持一定的功率輸出並持續穩定工作50h以上; 該光催化燃料電池對多種有機燃料具有廣泛的適應性。
