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谢 谢 大 家! * 燃料电池原理 及其与光催化的对比 大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室 报 告 人: 宗旭 博士生 指导老师: 李灿 院 士 Seminar I 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须解决的两大问题！ 燃料电池的定义及其分类 定义：燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。 分类：根据工作温度可分为低温型、中温型和高温型三种。根据电解质的种类可分为：碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和聚合物离子膜燃料电池(PCMFC)。 燃料电池的工作原理 燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。 燃料 氧化剂 阳极 阴极 电 解 质 导电离子 质子膜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 光催化的定义 光化学过程：广义上，在光的作用下发生的化学过程。 光催化：属于光化学过程，但除光的作用外，还要有催化剂的参加。 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能，把CO2和H2O合成有机物，同时释放氧气的过程。 CO2+H2O O2 Nathan S. Lewis, Nature, 2001, 414, 589 光催化能量转化的途径 n-TiO2电极光电分解水的实验第一次揭示了人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 半导体光催化的原理 VB CB hv D+ + 表面复合 + 体相复合 D A A- hv 光生电子或空穴在对应活性位的富集，促进了光生电子和空穴的分离，并且降低了氢氧过电位，提高了光催化活性。 CB VB h e hv Pt, Ru, Pd… RuO2… 电子捕获位 空穴捕获位 助剂提高光催化活性的原理 CB VB h e hv 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 光催化 电子捕获位 空穴捕获位 电化学的对比 光催化分解水： 燃料电池： 活化极化，浓差极化，欧姆极化导致实际电压小于理论电压1.23V，实际单体电压0.6-0.8V。 阴阳极过电位，电子空穴分离传输，能带弯曲等，理想带宽2.5eV左右。 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-空穴对。在势垒区内建电场的作用下，将电子扫入n区，将空穴扫入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。 光伏电池的原理 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 n p 应用形式的对比 光催化： 燃料电池： 应用领域的对比 光催化： 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… 面临问题的对比 光催化分解水： 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； 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： 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。 *