铁基高效光化学燃料电池的设计与分析应用

The utilization of the solar energy and biomass energy is one of the most important technologies to solve the energy crisis. The photoelectrochemical fuel cells (PFC) are considered as one of the most effective approaches as it can decompose the biomass under the solar irradiation and can react under mild reaction conditions. The key issue of the development of the PFC is to exploit the photoanode materials with high solar-to-electricity and biomass decomposition activities. In this project, we will design and prepare co-catalyst loaded α-Fe2O3 photoanode and study its activity toward the decomposition of the biomass. We will explore systematically the relationships between activity, surface state of the electrode, the process of the chemical reaction, and the mechanism of the biomass decomposition at the surface of the photoanode. At last, a proper and high active PFC cell will be designed and fabricated based on the aboveα-Fe2O3 photoanode with reasonable configuration. We will disclose systematically the relationships between the composition, structure and the activity of the PFC cells. We believe that this project can help us to provide an elementary new approaches and theoretical foundation for reasonably designing and preparing new PFC.

光化学燃料电池（PFC）由于其以太阳光和生物质能为能量来源，且反应条件温和，被认为是解决能源危机的可行方法之一。开发具有高光电转化能力、高生物质催化活性的光阳极材料是关键。本项目拟设计和构筑表面负载廉价共催化剂的α-Fe2O3基复合光阳极材料，并系统分析制备因素对光阳极材料性能、电极状态及化学反应过程的影响，建立生物质光电催化过程中光阳极材料的界面反应机制。基于所制备的α-Fe2O3基复合光阳极材料构建高性能及实用性强的PFC。考察复合光阳极材料的组成、结构和共催化剂对于PFC的影响，深入探讨光阳极、共催化剂及生物质结构与PFC性能的内在联系，为构筑高效PFC提供理论和实验依据。

本项目旨在研制高导电性、高光电催化活性的α-Fe2O3基复合光阳极材料，并探索其在光燃料电池中的应用。在研究初期，课题组成员研究了铁基光阳极材料的制备，以及离子掺杂和形貌调控等手段可控制备α-Fe2O3基复合材料，系统的分析了不同制备条件对于α-Fe2O3基复合材料结构和性能的影响。利用上述总结归纳的实验技术，通过后续表面负载多种贵金属、金属氧化物和金属双氧化物等表面催化剂，构建对有机物具有良好催化分解能力的α-Fe2O3基复合光阳极材料。利用XRD、XPS、SEM、TEM等表征手段对所制备材料的成份、结构和形貌进行了表征。利用上述总结归纳的实验技术，通过优选具有良好活性的α-Fe2O3基复合光阳极材料，分析研究了其对多种生物质，以及具有一定环境危害性的抗生物素等催化分解活性，并分析了其分解机理。针对光燃料电池需要高效阴极催化剂来催化还原氧气的需求，利用模板的g-C3N4辅助热解、溶剂热等多种策略，得到了一系列具有良好催化性能的铁-碳基阴极催化剂材料；利用表征手段对所制备材料的成份、结构和形貌进行了表征分析，归纳总结了铁-碳结构对于氧气还原性能的影响，并研究了其在氢氧燃料电池、光燃料电池中的应用。