具有自呼吸光/电/化学催化反应边界的微小槽道内传递和转化特性

Optofluidics based membraneless micro-photocatalytic fuel cell with the air-breathing cathode can directly convert the chemical energy stored in the organic wastewater into electricity by using solar energy, which offers many advantages of high mass transfer efficiency, short light path and uniform light distribution. Because of these merits, this new type of fuel cell is promising in the fields of the wastewater treatment and renewable energy. The membraneless micro-photocatalytic fuel cell with the air-breathing cathode is a complex coupled multi-physics system, covering the light transmission, photo-generated carrier transport, flow and transport, photoelectrochemical and electrochemical reactions. Therefore, the transport and conversion characteristics play an important role in this type of fuel cell. Aiming at the nature of its physical problem, this project is directed to the experimental and theoretical studies on the multi-physics coupled transport and conversion in a microchannel with the air-breathing photoelectrochemical/electrochemical catalytic reaction walls. The emphasis will be paid to the discovery of the coupling mechanism of light transmission, photo-generated carrier transport, organic compounds and ion transport, flow and transport in a microchannel, two-phase oxygen transport and photoelectrochemical/electrochemical reactions. The effect of the light irradiation, catalyst layer structures of anode and cathode, properties of the organic compounds and ions, flow channel design and flow resistance characteristics and operating parameters on the cell performance will be obtained. Eventually, a theoretical model with the coupled photoelectrochemical/electrochemical reactions with flow and transport will be developed, which will promote the application and development of photocatalytic fuel cells.

基于光微流体技术的无膜空气自呼吸阴极微型光催化燃料电池可利用太阳能通过光电化学反应直接将有机污水中的化学能转化为电能，具有传质效率高、光程损失小和光照均匀等优点，在污水处理和可再生能源领域中有很好的应用前景。这种新型电池是一个涉及光传播、光生载流子传输、流动与传递及光/电/化学反应多场耦合的复杂体系，传递与转化特性具有重要的作用。本项目针对其热物理问题本质特征，对具有自呼吸光/电/化学反应的多孔催化反应边界的微小通道内多场耦合传递与转化特性开展系统的实验和理论研究工作，重点揭示光传播、光生载流子传输、有机底物与离子的传输、微小通道内的流动与传递、氧气的两相传输与光/电/化学反应的相互耦合关系，获得入射光条件、阴阳两极催化层结构、离子和有机底物物性、流道的设计等结构和运行参数对电池性能的影响规律，建立耦合光/电/化学反应的流动与传递的电池全场理论模型，促进光催化燃料电池的应用和发展。

光催化燃料电池利用太阳能通过光/电/化学反应在降解废水的同时产电，在能源与环境领域具有良好的应用前景。本项目以基于光微流体技术的无膜空气自呼吸阴极微型光催化燃料电池为研究对象，对其中具有自呼吸光/电/化学反应的微小通道内多场耦合传递与转化机理及特性开展了系统深入的研究。首先，构建了具有可见光响应阳极和铂基自呼吸阴极无膜光催化燃料电池，研究了无膜光催化燃料电池中的能质传输特性，获得了光强、燃料和电解质浓度等运行参数对电池性能和阴阳极各自极化特性的影响规律，揭示了光阳极中光生载流子、底物和离子的传输特性及其与光电化学反应的耦合机理；发现了当以铂为阴极催化剂时，光阳极性能在光催化燃料电池中占主导地位，拓宽光阳极光谱吸收范围和强化光阳极的光吸收、半导体催化剂中电子传输、底物和离子传输对提升光阳极性能至关重要。针对此，本项目通过敏化、掺杂、孔隙结构调节等方法，制备了CdS敏化SiO2/TiO2光阳极、N掺杂TiO2光阳极和自掺杂TiO2光阳极，开发了复合纳米结构光阳极、介孔结构光阳极和梯度孔结构光阳极，实现了光阳极吸收光谱范围的拓宽及底物、离子和电子传输的协同强化，抑制了电子空穴对的复合，提升了光阳极性能。构建了空气自呼吸阴极并研究了其中的传输特性，获得了空气自呼吸阴极中的传输特性及其与电化学反应的耦合特性；基于梯级结构原理，提出了CuS/Cu2O/Cu立方体纳米颗粒光阴极和CuS/Cu2O/Cu纳米线光阴极，提升了光阴极性能。构建了蛇形流道光催化燃料电池、双极可见光响应平铺式无膜微型光催化燃料电池，研究了具有不同微小流道结构光催化燃料电池流动与传输特性，获得了微小通道中的流动传递特性及其与阴阳两极光/电/化学反应的耦合机理。在理论研究方面，构建了光阳极中耦合光电化学反应的光生载流子、底物和离子传输理论模型，获得了光阳极传输和转化特性；建立了无膜微型光催化燃料电池的全场理论模型，获得了光催化燃料电池中耦合阴阳极光/电/化学反应的传递和转化特性。本项目的研究成果为可见光响应空气自呼吸阴极光催化燃料电池技术的发展奠定了理论基础。