1、燃料電池原理 及其與光催化的對(duì)比,大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,報(bào) 告 人: 宗旭 博士生 指導(dǎo)老師: 李燦 院 士,Seminar I,燃料電池及光催化研究的背景,Robert F.Service, Science, 2005, 309, 548,能源與環(huán)境問題是人類必須解決的兩大問題！,燃料電池的定義及其分類,定義：燃料電池是一種能夠持續(xù)的通過發(fā)生在陽極和陰極的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池與常規(guī)電池的區(qū)別在于，它工作時(shí)需要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑，只要持續(xù)供應(yīng)，燃料電池就會(huì)不斷提供電能。,分類：根據(jù)工作溫度可分為低溫型、中溫型和高溫型三種。根

2、據(jù)電解質(zhì)的種類可分為：堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和聚合物離子膜燃料電池(PCMFC)。,燃料電池的工作原理,燃料電池由陽極、陰極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成，其工作原理與普通電化學(xué)電池類似，燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原，電子從陽極通過負(fù)載流向陰極構(gòu)成電回路，產(chǎn)生電流。,質(zhì)子膜燃料電池的工作原理,各種燃料電池的工作原理,Martin Winter and Ralph J. Brodd, Chem. Rev., 2004, 104, 4245,光催化的定義,光化學(xué)過程：廣義上，在光的作用下發(fā)生的化學(xué)過程。 光催化：

3、屬于光化學(xué)過程，但除光的作用外，還要有催化劑的參加。,綠色植物的光合作用,光合作用：在多種酶的催化下，綠色植物吸收太陽的光能，把CO2和H2O合成有機(jī)物，同時(shí)釋放氧氣的過程。,CO2+H2O,O2,Nathan S. Lewis, Nature, 2001, 414, 589,光催化能量轉(zhuǎn)化的途徑,n-TiO2電極光電分解水的實(shí)驗(yàn)第一次揭示了人類利用太陽光的可能性。,A. Fujishima and K. Honda., Nature, 1972, 238, 37,人類光催化第一次成功探索,半導(dǎo)體光催化的原理,光生電子或空穴在對(duì)應(yīng)活性位的富集，促進(jìn)了光生電子和空穴的分離，并且降低了氫氧過電位，

4、提高了光催化活性。,Pt, Ru, Pd,RuO2,電子捕獲位,空穴捕獲位,助劑提高光催化活性的原理,燃料電池與光催化原理的對(duì)比,燃料電池,光催化,電子捕獲位,空穴捕獲位,電化學(xué)的對(duì)比,光催化分解水：,燃料電池：,活化極化，濃差極化，歐姆極化導(dǎo)致實(shí)際電壓小于理論電壓1.23V，實(shí)際單體電壓0.6-0.8V。,陰陽極過電位，電子空穴分離傳輸，能帶彎曲等，理想帶寬2.5eV左右。,當(dāng)陽光從電池上層表面入射到電池內(nèi)部時(shí)，入射光子分別為各區(qū)的價(jià)帶電子所吸收并激發(fā)到導(dǎo)帶產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，將電子掃入n區(qū)，將空穴掃入p區(qū)，各區(qū)產(chǎn)生的光生載流子形成光生電流，實(shí)現(xiàn)光產(chǎn)生電的轉(zhuǎn)換。,光伏

5、電池的原理,燃料電池與光伏電池的對(duì)比,應(yīng)用形式的對(duì)比,光催化：,燃料電池：,應(yīng)用領(lǐng)域的對(duì)比,光催化：,燃料電池：,大型電站發(fā)電； 便攜移動(dòng)電源； 應(yīng)急電源； 家庭電源； 汽車，軍艦,降解環(huán)境污染物； 化學(xué)合成； 太陽能光電池； 太陽能光解水、生物質(zhì)制氫,面臨問題的對(duì)比,光催化分解水：,直接甲醇燃料電池：,催化劑的活性、穩(wěn)定性低； 催化劑對(duì)可見光的響應(yīng)差； 量子效率低；,成本高； 電池的性能及壽命； 系統(tǒng)集成；,解決方法的對(duì)比,降低貴金屬的用量或采用非貴金屬催化劑體系； 陽極、陰極甲醇氧化還原機(jī)理研究； 低甲醇透過率質(zhì)子交換膜的研制； 設(shè)計(jì)適宜的電池結(jié)構(gòu)。,直接甲醇燃料電池：,光催化分解水：,尋找高效、穩(wěn)定的光催化劑； 陽離子、陰離子摻雜等提高可見光響應(yīng)； 光催化反應(yīng)機(jī)理的研究。,光催化提高燃料電池的性能,Prashant V. Kamat, et al., J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 11851,Hydrogen