【摘 要】
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光燃料电池（PFC）作为一种新兴的清洁能源转换与发电装置,具有成本低、制备工艺简单、室温操作、转换效率高等优势,在有机物处理和能源回收利用等方面具有广泛应用。石墨烯因其具有优异的力电性能和易于功能化特性,在能源转化器件领域具有广阔的应用前景。本文结合PFC和石墨烯的优异特性,设计弹簧状和多级孔结构TiO2/石墨烯光电极,组装同轴纤维状和薄膜PFC,精确调控器件结构,并对其有机物光电转化性能、光电响
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光燃料电池（PFC）作为一种新兴的清洁能源转换与发电装置,具有成本低、制备工艺简单、室温操作、转换效率高等优势,在有机物处理和能源回收利用等方面具有广泛应用。石墨烯因其具有优异的力电性能和易于功能化特性,在能源转化器件领域具有广阔的应用前景。本文结合PFC和石墨烯的优异特性,设计弹簧状和多级孔结构TiO2/石墨烯光电极,组装同轴纤维状和薄膜PFC,精确调控器件结构,并对其有机物光电转化性能、光电响应机理、稳定性等方面进行研究,具体研究结果如下:（1）采用湿法纺丝技术制备TiO2纳米粒插层石墨烯纤维,通过精确结构调控构建紧密连接的弹簧状TiO2/石墨烯光电极;石墨烯纤维和弹簧状光电极分别作为内层阴极和外层光阳极,聚乙烯醇（PVA）/H3PO4凝胶作为中间电解质层,采用层层组装技术构建了同轴纤维状PFC器件。PFC表面具有高表面粗糙度和透光性,电解质层薄且与电极紧密接触,有利于离子传输以及有机气体污染物的吸附和光电转化。测试结果表明,优化的电解质层厚度和TiO2含量分别为4μm和50%;在模拟太阳光照下,PFC对低浓度瓦斯气体具有较高的光电转化性能,在0.35 V时最大功率密度可达到0.04 W cm-2。此外,PFC具有良好的弯曲稳定性和环境适应性。（2）采用3D打印技术制备结构可控的TiO2/石墨烯光电极,Au/聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维复合膜、电纺PVDF纳米纤维薄膜和TiO2/石墨烯光电极分别作为阴极、隔膜和光阳极,构建可用于海水有机污染物光电转化的薄膜PFC。PFC的光阳极具有多级孔结构特征,有助于提高器件的光吸收和海水有机污染物吸附性能,进而实现海水有机物的高效光催化降解和光电转化。测试结果表明,优化的隔膜厚度和光阳极厚度分别为5μm和1 mm;在模拟太阳光照下,薄膜PFC对海水有机污染物的光电流响应较空白组提高约1-4倍;对正己烷、汽油和柴油的光电转化最大功率密度分别可达到0.06、0.08和0.14 m W cm-2。
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