【摘 要】
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能源是人类社会可持续发展的动力源泉和重要生存基础。近年来,新能源的研究受到世界各国的高度重视,包括太阳能、风能和潮汐能等在内的可再生能源正在成为传统化石燃料有希望的替代品,因此,开发低成本、大规模的能源转换技术与新型储能系统已经势在必行。通过制备不同高催化活性的半导体光电材料代替贵金属材料做电极,并将太阳能引入到能源电池领域,在改善化学反应动力学的同时,实现了太阳能到化学能,再到电能的转化与储存。
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能源是人类社会可持续发展的动力源泉和重要生存基础。近年来,新能源的研究受到世界各国的高度重视,包括太阳能、风能和潮汐能等在内的可再生能源正在成为传统化石燃料有希望的替代品,因此,开发低成本、大规模的能源转换技术与新型储能系统已经势在必行。通过制备不同高催化活性的半导体光电材料代替贵金属材料做电极,并将太阳能引入到能源电池领域,在改善化学反应动力学的同时,实现了太阳能到化学能,再到电能的转化与储存。本论文围绕用于光催化燃料电池（PFC）以及光辅助金属-空气电池中的光电极展开一系列工作。本文主要工作如下:1.采用双室带有质子交换膜和石英窗的H型电池,以甲醇为燃料,以FTO导电玻璃为基底,分别构建了ZnO、BiVO4、TiO2和TiO2/Sr TiO3四种光电阳极材料的光催化甲醇燃料电池（PMFC）。通过体系在不同温度下的间歇运行,应用线性扫描伏安、交流阻抗、极化曲线等电化学方法探究了温度对光催化甲醇燃料电池性能的影响。在低温条件下,光催化燃料电池依然有较好的光电化学输出特性,5℃体系中,ZnO光阳极在光照下的短路电流和输出功率可达0.91m A/cm~2、0.079 m W/cm~2,分别是铂（Pt）电极的9倍和3倍,其性能高于利用Pt电极构建的质子交换膜燃料电池。此外,随着温度升高,阳极光催化活性逐渐增强,光电流密度提高,传荷阻抗降低,电池输出功率提高。研究结果表明,光催化甲醇燃料电池系统可以适应低温工作场景,在某些特殊环境具有应用价值。2.以FTO导电玻璃为基底,使用水热、刮涂法制备了ZnO/CuO复合材料作为光辅助锌-空气电池的光电阳极（空气电极）,用锌片作为金属电极,构建了高效稳定的具有氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）双功能特性的锌-空气二次电池。该材料具有优异的光催化活性、超亲水性和稳定性,在模拟太阳光条件下,通过恒流充电和放电分别实现约1.50 V和1.28 V的低充电电位和高放电电位,短路电流和开路电压分别达到49 m A/cm~2和0.9 V。我们发现这种双功能特性来源于Cu的价态变化机制,这意味着ZnO/Cu2O和ZnO/CuO分别在充电和放电过程中发挥光电催化作用。这项工作为开发集成单电池光辅助锌-空气电池提供了一种简便有效的方法,与此同时,进一步研究了该过程中的电荷转移机制。
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