[发明专利]一种光电催化分子氧还原反应和燃料电池耦合的叠层发电电池

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光电转化和燃料电池转化技术领域，具体涉及一种阴极无Pt的光电催化氧还原反应和燃料电池耦合的叠层发电电池，将光能和化学能转化为电能输出。

背景技术

燃料电池，作为一种新型的电化学能量转化装置，以其高的能量转换密度和环境友好等优点得到了广泛关注(Nature,2011,414(6861):331.)。

然而长期以来，燃料电池普遍存在的一个问题是输出电压低，其原因之一是阴极的氧气还原反应(ORR，oxygen reduction reaction)过电位高。当前，活化O₂最好的催化剂是Pt基催化剂，然而Pt的低丰度和高成本是阻碍低温燃料电池大规模商业化最大的障碍之一(Fuel Cells,2001,1,105-116.)。继而，不少研究者致力于开发与研究不含贵金属元素的催化剂。在Pt的各种替代品中，N掺杂的碳材料因其价格低廉﹑良好的物理化学性质(例如：导电性好表面积大等)引起了广泛研究者的兴趣。然而，对于N掺杂的碳材料的活性和稳定性在实际应用中想要赶上铂催化剂的性能，仍有很长的路要走(Scientific Report,2013,3,1765.)。因此，提高燃料电池的输出电压还需要有新的方法和思路。

随着全球能源日趋紧张，太阳能作为一种清洁的新型能源得到了大力的，以半导体为吸光材料的太阳能电池快速发展，如硅太阳能电池﹑多元化合物太阳能电池﹑有机太阳能电池﹑染料敏化太阳能电池等。(专利WO_8505119_A；专利US_20090029053；专利WO_135438_A3；CN_203883016_U；专利CN_202721171_U)。除光伏电池外，光催化或者光电催化技术也是太阳能利用的重要方向。光催化技术与燃料电池的耦合发电电池也有一些专利报道，但主要集中于光催化与微生物燃料电池的耦合体系，并且大多研究的是光合作用体系，光阳极降解污染物与微生物燃料电池的耦合(专利CN_204834757_U；专利CN_105140550_A；专利CN_105047948_A和专利CN_105140551_A)。

迄今为止，将太阳能电池或光电催化反应与低温燃料电池耦合的研究甚少，并且尚未见到利用光催化氧还原的功能来发展燃料电池的应用报道和专利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阴极无Pt的光电催化氧还原反应和燃料电池耦合的叠层发电电池。

本发明的技术方案为：

本发明是一种光电催化氧还原反应和燃料电池耦合的叠层发电电池，如图1所示，其电池组成包括：阴极基底电极，阴极半导体催化剂，膜，阳极催化剂，阳极基底电极。其特征在于：以一种具有一定光响应的半导体作为燃料电池阴极氧气还原的催化剂，半导体受光激发产生的光压和燃料电池化学反应输出的电压能够叠加，构成光电催化和燃料电池耦合的叠层发电电池。

本发明的电池阴极和阳极由膜隔开，阴极通入O₂或空气，阳极通入燃料(如H₂、甲醇、乙醇、甲酸、葡萄糖等)，阴极给予光照，发生O₂还原反应，阳极发生燃料的氧化反应。

本发明可以是H₂-O₂燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池、甲酸燃料电池、葡萄糖燃料电池等阴极反应是氧还原的燃料电池。

本发明作用机制是光激发半导体材料产生电子和空穴对，电子和空穴在半导体内部发生分离，电子激发到导带，空穴留在价带，产生一定电压，接着，光生电子迁移到电极表面并转给O₂，参加O₂的还原反应。而阳极燃料的氧化反应放出的电子通过外电路到半导体的价带猝灭价带上的空穴，形成燃料电池化学能放电的回路。此过程，光生电压和化学能生成电压叠加，因此构成了光电催化和燃料电池耦合的叠层发电电池。