面对当今严峻的能源危机,可再生能源取代化石燃料成为可持续发展的必然选择。越来越多的学者将关注点放在了太阳能、风能和潮汐能等可再生能源利用上。太阳能具有清洁、广泛、取之不尽、用之不竭等优点,被认为是缓解能源危机取代化石燃料的最主要的可再生新能源之一,受到广大学者的关注。目前,商业太阳能利用主要包括太阳能热发电和光伏发电,但都存在有间歇性缺点。为了解决此问题,储能成为在太阳能利用技术中的主要技术问题之一。太阳能储存技术主要包括光热储存、电化学储存和光化学能量储存等。全钒液流电池作为储能电池具有很强的竞争优势,它具有长的循环寿命、大容量、高的效率和安全性,而且该储能电池的电解液均为钒离子,有效地避免了不同离子间的交叉污染,使得电池电解液可以循环使用。近年来,有学者将光催化技术和全钒液流电池相结合提出了光电催化全钒液流储能电池,可以实现太阳能向化学能的直接转化。但是目前针对光电催化全钒液流储能电池的研究才刚刚起步,电池多采用容积式,不仅容量低,长时间运行还会导致电池浓差极化增大;且电池结构多采用大尺度设计,导致电池内阻过大;光阳极往往采用二氧化钛纳米多孔层,仅对紫外光响应。这些不足导致电池性能低,降低了电池的能量转化率。针对以上问题,本论文首先设计研究了容积式光电催化全钒电池,研究了其传输特性和电池性能;其次,针对容积式电池存在的传输问题,提出了连续式微型光电催化全钒液流电池,通过改变电池结构尺寸和电解液流动方式提高了电池性能;随后,针对光阳极结构进行改进,采用复合纳米结构和氮掺杂二氧化钛构建了光阳极,强化了物质传输和光能利用率,提高了电池转化效率。主要研究成果包括以下几个方面:(1)构造容积式光电催化全钒液流电池。为了强化电子传输,制备的光阳极包括两部分:致密层和二氧化钛多孔催化层,致密层采用旋涂法并煅烧制备,二氧化钛多孔层采用湿喷法并煅烧制备。对完成的光阳极进行了XRD和SEM表征,证明该光阳极具有良好的晶型和多孔形貌。对光阳极进行光响应表征,也证明了其良好的光响应特性。通过电池长时间运行表明电池具有良好的稳定性。最后研究了光强和钒离子浓度两个参数对电池性能的影响,发现电池性能均随着光强和钒离子浓度的提高而增强。但是该电池的整体性能不高,存在内阻大,容量低和转化速率低的缺点,可以通过改变电池结构和光阳极来提高。(2)针对容积式电池中存在的问题,本章提出了一种连续式微型光电催化全钒液流电池。该电池的电解液采用流动形式,可以减少电池浓差极化,提高电池容量。通过光响应曲线发现该光阳极在微型电池中仍具有良好的光响应特性。通过对比容积式和微型结构电池的电化学阻抗,发现微型化设计具有更小的电池内阻。研究了电池的重要组成部分质子交换膜对电池性能的影响,发现质子交换膜越厚,钒离子的渗透性越差,但是质子传输阻力也相对较大导致电池性能较差。随后,研究了光强和钒离子浓度的影响,可以看出光照增大,光阳极产生的电子和空穴越多,加快了光电催化反应速率,提升了电池性能;钒离子浓度的提高也可以提升电池性能,这是由于浓度的提高强化了传质,从而提高光电流密度。(3)采用水热合成法制备复合纳米结构作为光阳极。通过对该光阳极进行XRD、SEM和BET表征,发现二氧化钛纳米管比传统二氧化钛纳米颗粒光催化剂具有更大的比表面积,孔隙结构更丰富。通过光强和钒离子浓度影响规律的研究表明具有复合纳米结构光阳极的电池性能随着二者的增大而增强,并且具有复合纳米结构光阳极的光电催化全钒液流电池的性能要远远优于具有传统二氧化钛纳米颗粒光阳极的电池,电池的性能提升了36%左右。(4)为了克服传统二氧化钛光阳极存在的仅对紫外光响应和比表面积低的问题,本文采用溶胶-凝胶法制备了氮掺杂二氧化钛作为光阳极。通过对该光阳极进行XRD、SEM、TEM、XPS、UV-vis和BET表征,发现相对于传统二氧化钛光阳极,氮掺杂二氧化钛光阳极不仅可以拓宽吸收光谱至可见光区域,而且其具有更高的比表面积,孔隙结构更为丰富。通过对电池光响应性能测试,发现氮掺杂二氧化钛光阳极具有良好的光响应特性,并且电池的性能提升了近40%左右。通过光强和钒离子浓度影响规律的研究发现氮掺杂二氧化钛光阳极的电池的性能随着二者的增大而增强,且氮掺杂二氧化钛光阳极光电催化全钒液流电池的性能要远远好于传统二氧化钛光阳极。