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1、燃料电池及光催化研究的背景燃料电池及光催化研究的背景Robert F.Service,Science,2005,309,548能源与环境问题是人类必能源与环境问题是人类必须解决的两大问题！须解决的两大问题！第1页/共22页燃料电池的工作原理燃料电池的工作原理燃料电池由阳极、阴燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解极和离子导电的电解质构成，其工作原理质构成，其工作原理与普通电化学电池类与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，流向阴极构成电回路，产生电流。产生电流。燃料氧化剂阳极阴极电 解
2、质导电离子第2页/共22页质子膜燃料电池的工作原理质子膜燃料电池的工作原理第3页/共22页各种燃料电池的工作原理各种燃料电池的工作原理Martin Winter and Ralph J.Brodd,Chem.Rev.,2004,104,4245第4页/共22页光催化的定义光催化的定义光化学过程：广义上，在光的作光化学过程：广义上，在光的作用下发生的化学过程。用下发生的化学过程。光催化：属于光化学过程，但除光催化：属于光化学过程，但除光的作用外，还要有催化剂的参光的作用外，还要有催化剂的参加。加。第5页/共22页绿色植物的光合作用绿色植物的光合作用光合作用：在多种酶的催化下，绿色植物吸收太阳的光
3、能，把COCO2 2和H H2 2O O合成有机物，同时释放氧气的过程。CO2+H2OO2第6页/共22页Nathan S.Lewis,Nature,2001,414,589光催化能量转化的途径光催化能量转化的途径第7页/共22页n-TiOn-TiO2 2电极光电分解水电极光电分解水的实验第一次揭示了人的实验第一次揭示了人类利用太阳光的可能性。类利用太阳光的可能性。A.Fujishima and K.Honda.,Nature,1972,238,37人类光催化第一次成功探索人类光催化第一次成功探索第8页/共22页半导体光催化的原理半导体光催化的原理VBCBhvD+表面复合+体相复合DAA-hv
4、第9页/共22页光生电子或空光生电子或空穴在对应活性穴在对应活性位的富集，促位的富集，促进了光生电子进了光生电子和空穴的分离，和空穴的分离，并且降低了氢并且降低了氢氧过电位，提氧过电位，提高了光催化活高了光催化活性。性。CBVBhehvPt,Ru,PdRuO2电子捕获位空穴捕获位助剂提高光催化活性的原理助剂提高光催化活性的原理第10页/共22页CBVBhehv燃料电池与光催化原理的对比燃料电池与光催化原理的对比燃料氧化剂阳极阴极电 解 质导电离子燃料电池燃料电池光催化光催化电子捕获位空穴捕获位第11页/共22页电化学的对比电化学的对比光催化分解水：光催化分解水：燃料电池：燃料电池：活化极化，浓
5、差极化，活化极化，浓差极化，欧姆极化导致实际电压欧姆极化导致实际电压小于理论电压小于理论电压1.231.23V V，实际单体电压实际单体电压0.6-0.80.6-0.8V V。阴阳极过电位，电子空阴阳极过电位，电子空穴分离传输，能带弯曲穴分离传输，能带弯曲等，理想带宽等，理想带宽2.52.5eVeV左左右。右。第12页/共22页当阳光从电池上层表面入射到电池内部时，入射光子分别为各区的价带电子所吸收并激当阳光从电池上层表面入射到电池内部时，入射光子分别为各区的价带电子所吸收并激发到导带产生电子发到导带产生电子-空穴对。在势垒区内建电场的作用下，将电子扫入空穴对。在势垒区内建电场的作用下，将电子
6、扫入n n区，将空穴扫入区，将空穴扫入p p区，各区产生的光生载流子形成光生电流，实现光产生电的转换。区，各区产生的光生载流子形成光生电流，实现光产生电的转换。光伏电池的原理光伏电池的原理第13页/共22页燃料电池与光伏电池的对比燃料电池与光伏电池的对比燃料氧化剂阳极阴极电 解 质导电离子np第14页/共22页应用形式的对比应用形式的对比光催化：光催化：燃料电池：燃料电池：第15页/共22页应用领域的对比应用领域的对比光催化：光催化：燃料电池：燃料电池：大型电站发电；便携移动电源；应急电源；家庭电源；汽车，军舰降解环境污染物；化学合成；太阳能光电池；太阳能光解水、生物质制氢第16页/共22页面
7、临问题的对比面临问题的对比光催化分解水：光催化分解水：直接甲醇燃料电池：直接甲醇燃料电池：催化剂的活性、稳定性低；催化剂对可见光的响应差；量子效率低；成本高；电池的性能及寿命；系统集成；第17页/共22页解决方法的对比解决方法的对比降低贵金属的用量或采用非贵金属催化剂体系；阳极、阴极甲醇氧化还原机理研究；低甲醇透过率质子交换膜的研制；设计适宜的电池结构。直接甲醇燃料电池：直接甲醇燃料电池：光催化分解水：光催化分解水：寻找高效、稳定的光催化剂；阳离子、阴离子掺杂等提高可见光响应；光催化反应机理的研究。第18页/共22页光催化提高燃料电池的性能光催化提高燃料电池的性能Prashant V.Kamat,et al.,J.Phys.Chem.B,2005,109,11851第19页/共22页Hydrogen StorageFuel CellH2Photocatalysis燃料电池和光催化结合的前景燃料电池和光催化结合的前景WaterCO2CO2H2OO2H2O第20页/共22页谢谢 谢谢 大大 家家!第21页/共22页感谢您的观看！第22页/共22页