高效光燃料电池光阳极的构建及其光电化学性能研究

The photo fuel cell (PFC) is a device that converts solar and bioenergy into electricity, the photonode as the key component of PFC is responsible for the oxidation of biomass fuel and plays very important role in the efficiency of converting solar energy to electricity. By far, the most common photoanodes investigated in PFC are UV-light responsive TiO2 semiconductor (3.2 eV), which restricting their utilization of solar energy. In this regard, we attempt to design and develop high performance visible-light-responsive PFC based on BiVO4 photoanode. In order to obtain high PFC performance, the strategies of doping element in the bulk of BiVO4, and constructing hole storage layer or loading cocatalyst on the surface of BiVO4 are used to modify the BiVO4. By controlling the anode target reactions of the surface holes injected, we can analyze the charge separation efficiency and charge injection efficiency in the process of photocatalytic biomass oxidation. Further, through analyzing the life, the recombination and transition properties of the carrier, and the surface reaction dynamic behavior, we can establish the relationship between the performance of photo-oxidizing of biomass and the structure of the photoanode. The project provides a theoretical basis and a new research strategy for the design and development of high-performance PFC.

光燃料电池（PFC）是一种能将太阳能和生物质能同时转化为电能的电池装置。光阳极作为PFC的核心部件，承担着吸收光能并负责氧化生物质燃料的作用，决定着太阳能的转化效率。目前，PFC光阳极的研究主要集中在紫外光响应的TiO2（3.2 eV）半导体，这在本质上就限制了太阳光的吸收和利用。本项目基于可见光响应的钒酸铋（BiVO4）半导体材料，通过对BiVO4体相掺杂及表界面构建空穴储存层和担载助催化剂等改性手段，获得高性能的可用于PFC的光阳极材料；通过控制光阳极表面空穴参与的目标反应，分析光阳极材料催化生物质氧化过程中载流子的分离效率及注入效率；通过分析载流子的寿命、复合及迁移等行为及电极表面反应的动力学行为，建立光阳极光电催化生物质氧化性能与其材料本身及电极结构的关联，为设计及制备高性能的PFC光阳极材料提供新的研究思路和方法。

光燃料电池（PFC）作为一种新型的燃料电池，能将太阳能和生物质能同时转化为电能，其为可持续能源的发展﹑利用及转化提供了新的策略和方法。PFC在结构上通常由光阳极、阴极及燃料底液组成，其中光阳极承担吸收光能并负责氧化生物质燃料的作用，是PFC的核心部件，决定着太阳能的转化效率。目前光阳极在PFC中的应用存在光电转换效率低，可供选择的电极材料不足等问题。因此，本项目从光阳极材料的合成和改性出发，围绕PFC的研究开展以下三个内容。（1）BiVO4光阳极的制备及其改性研究，构建基于BiVO4电极的PFC放电装置及光电催化生物质氧化研究。研究结果表明：W元素的掺杂提高了BiVO4光电催化生物质及其衍生物的氧化性能，极大促进了PFC的开路电压、短路电流和功率密度性能参数，提高了太阳能到电能的光电转化效率；经研究，该促进作用归因于W掺杂改善了BiVO4光生载流子的分离及界面电荷传输。（2）TiO2、WO3、Fe2O3等其他氧化物半导体材料的制备及其在光燃料电池和葡萄糖传感器中的应用。结果表明：这几种氧化物半导体材料也可用于PFC光阳极，实现将光能和生物质能协同转化为电能，且通过光电化学技术能实现葡萄糖的检测，在自供电光电化学葡萄糖传感器领域有潜在应用。（3）考虑到阴阳极都能充分利用光能且PFC不依赖于贵金属Pt催化剂，项目发展了阴极、阳极都吸收利用太阳光，且完全无贵金属催化剂的双光电极PFC。研究结果表明：该双光电极PFC只以光、H2O（OH-）、空气（O2）为原料便可自循环、长时间稳定的产生电能，是一种清洁、简易、价格低廉的太阳能转换装置。总之，本项目的实施为设计及制备高性能的PFC提供了新的研究思路和方法，对PFC的基础研究和PFC的实用化研究具有十分重要的意义。