[科普中国]-金属-氧燃料电池

以水溶性多金属氧酸盐作为光催化剂和电子载体构建了一种新型光催化燃料电池。 该光催化燃料电池发生燃料的均相光催化降解反应，可实现在无光照情况下的持续放电。

使用生物柴油副产物甘油作为燃料时，该光催化燃料电池的输出功率达0.24mW/cm2。在持续光照条件下，电池可长时间运转近50h，电流稳定在0.75mA/cm2以上。

甘油在电池中可持续循环放电，根据实际的反应程度可被转化为醛和酸，进一步氧化得到COx。 对多种有机燃料的应用表明该光催化燃料电池具有广泛的适用性。

简介随着工业的快速发展，传统的石化资源日益枯竭且带来的污染日益严重，开发利用干净、可靠和可再生的能源已成为亟待解决的问题。但可再生能源仅占到全球能源消耗的2%。光催化燃料电池(PFC)利用太阳光能来驱动有机物质的氧化反应从而产生清洁电能，可以收到多重的环境效益。

光催化燃料电池的重要组成部件是光阳极，一般为过渡金属氧化物半导体，如TiO2和SnO2等。光阳极的金属氧化物材料通过吸收光能成为激发态，产生空穴与光生电子。光生空穴具有较强的氧化性，能够将电解液中的有机分子( 燃料) 氧化分解，从而获得由有机分子提供的电子。光生电子则通过外电路转移到电池阴极，被氧气捕获，同时产生电流。光催化燃料电池由于能够利用可再生的有机质能源甚至有机污水产生清洁的电能，因此受到广泛的关注。

聚合物质子膜燃料电池(PEMFC) 也能将小分子的有机燃料，如甲醇和乙醇，转化为电能。然而大多数的PEMFCs需要使用Pt，Ru，Pd等贵金属作为阳极催化剂，而这些贵金属催化剂仅对小分子的醇燃料有效。对于含多个碳原子的醇分子，低温催化条件下C—C键难以断裂。

此外，贵金属阳极催化剂对燃料中的杂质非常敏感，容易中毒失活。而光催化燃料电池的金属氧化物阳极则具有比贵金属催化剂更好的稳定性，不易受到燃料中的微量杂质及氧化中间产物的影响。由于光催化反应对有机底物没有选择性，因此，光催化燃料电池可利用的有机燃料不只局限于醇类。各种水溶性的复杂生物质有机分子，甚至有机废水、污水也可以用来发电。借助于光催化反应中产生的强氧化性光生空穴，有机燃料分子能够得到彻底降解，分子中所有的C—C键都被打开，转化成为CO2。对燃料的广泛选择性和高效深度利用是光催化燃料电池的2个优点。

甘油作为低成本的生物柴油副产品，具有安全无毒、能量密度高、非易燃、无挥发等优点，是一种理想的可用于燃料电池的液体燃料。1

实验部分光催化电池电解液的制备将一定量的PMo12和甘油混合并加水稀释至25mL，根据加入量分别计算出相应的PMo12和甘油浓度。将PMo12和甘油的混合液在模拟太阳光源下照射7h，照射距离10cm，光能量密度100mW/cm2，混合液的颜色由黄色逐渐变成深蓝色。

电池的组装和测试商品化膜电极(MEA) 购自美国Fuel Cells Etc公司，包括阳极、阴极和Nafion117膜。阳极由没有负载催化剂的单纯碳布电极构成(4cm×4cm) ，阴极则由负载有60%Pt/C(5mg/cm2)的催化剂层和碳布电极组成。

用作Pt/C催化剂载体的活性炭粒径为74um，比表面积为90m2/g。Pt/C催化剂中纳米Pt粒子的晶粒大小为4.0～5.5nm，比表面积为60m2/g。电池两极壳体由两块带有蛇形槽的高密度石墨板组成，槽宽3.5mm，深2mm，总有效面积7.5cm2。

膜电极夹在两块石墨板之间，在流动槽一圈加上橡胶垫圈，用树脂塑料铆紧防止液体侧漏。实验过程中，阳极侧电解液通过蠕动泵可在阳极槽与光催化石英容器中循环流动，阴极侧则通入压缩空气。阳极侧液体流速为12mL/min，阴极侧空气流速为75mL/min，压强1.013×105Pa，电池操作运行温度25 ℃(室温)。

在电化学工作站上采用控制电位法测试电流-电压曲线。为了考察电池的循环使用性能，进行了5次重复测试。每次循环测试实验中，电极放电后的PMo12和燃料混合液重新暴露在AM-1.5模拟太阳光下照射7h，然后再泵入电池的阳极中，在无光条件下充分放电8h直至电流小于0.03mA/cm2。

在连续放电实验中，将透明石英容器放在AM-1.5模拟太阳光下连续照射，阳极电池原液通过蠕动泵在阳极流动槽和光催化石英容器中反复循环流动，放电和光催化反应同时进行。电池光照和放电过程中产生的气体通过氦气置换收集，并在Varian 490 micro-GC气相色谱上进行分析。1

优点以水溶性的多金属氧酸盐PMo12作为光催化剂构建了一种新型的光催化燃料电池。分析了该光催化电池的工作原理和电池性能，并考察了不同燃料对该电池的适应性。结果表明，电子载体PMo12和甘油浓度的增加均可提高电池的功率; 燃料甘油在电池中经循环多次使用后电池功率有所增加; 在持续光照和循环放电条件下，电池可以保持一定的功率输出并持续稳定工作50h以上; 该光催化燃料电池对多种有机燃料具有广泛的适应性。1

本词条内容贡献者为:

任毅如 - 副教授 - 湖南大学