[发明专利]基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池

说明书

【技术领域】

本发明涉及燃料电池技术领域，具体的说，是一种基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池。

【背景技术】

光致电化学反应，是以光能为能量输入促使电化学反应发生，使存储在化学物质内的化学能转化为电能向外输出。

光催化燃料电池中的光催化剂在受到光辐射照射时，半导体光催化剂被激发，释放出电子，同时产生空穴，释放的电子和空穴能与水反应产生强氧化性自由基，从而能够分解废水中的有机污染物。激发产生的电子亦可以通过外电路导出，形成电流，向外电路用电器供电。

目前的光催化燃料电池采用体式反应器进行批处理，将燃料与电解质加入反应器内进行光致电化学反应，当燃料耗尽时，再补充燃料。但是，目前光催化燃料电池的性能还处于较低的水平，电流密度约1mA/cm^-2。主要原因是，电池内的物质传输，电荷传输，光传输受到严重的制约，导致电池性能难以进一步提高。

微流体技术由于其快速的传质传热特性，近年来得到广泛的关注和应用。其层流特性能够很好的控制流体界面的物理化学过程。

气体扩散电极，允许气体但阻止液体通过电极。通过使用此类电极，能够在电化学反应过程中不断补充反应所需氧气，让光催化燃料电池产生一个呼吸作用。目前，尚无使用气体扩散电极设计的光催化燃料电池报道。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池；目的在于将微流体技术应用到光催化燃料电池中，用以突破限制光催化燃料电池性能提升的瓶颈，加快物质电荷传输，减少光能在传播方向上的损失。与此同时通过气体扩散电极的作用不断补充消耗的氧气，得到高效的光催化燃料电池反应器，并保持性能的长期稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于微流体的自呼吸式光催化无膜燃料电池，其特征在于，负载有二氧化钛半导体纳米棒作为光催化剂的导电玻璃与微流体电池芯片及气体扩散电极构成微流动光催化无膜燃料电池主体，阳极导线，阴极导线将电池内部产生的电能引出供外部用电器使用；阳极液入口接管，阴极液入口接管分别用于有机废水与阴极电解质流入，出口接管用于排出废液。

所述的微流体光催化自呼吸无膜燃料电池使用有机废水作为燃料，使用矿物盐作为电解质，在处理废水的同时将有机物中的化学能转化为电能。

所述的电池芯片上设置宽度为2mm，深度为1mm，长度为10mm的微流道，微流道下侧为由载有铂催化剂的碳纸制成的气体扩散电极，上侧为二氧化钛半导体纳米棒光催化反应催化剂。

所述的电池芯片由两块微通道芯片基板I，芯片基板II组合而成，电池芯片内的微流体为上下分层层流流动，通过此种实际结构能有效保持通道内上下分层的层流流动。

所述的芯片基板I上开有两个通孔和两段槽，前段(靠近入口为前段)为凹槽，后段为通槽；前孔为阳极液入口孔，后孔为出口孔。

所述的芯片基板II上开有三个通孔和三段槽，前后两段为凹槽，中间段为通槽；前孔为阳极液入口孔，中间孔为阴极液入口孔，后孔为出口孔。

所述的阳极液入口，阴极液入口与电池芯片基板II连接，连接处用环氧树脂密封。

所述的出口与电池芯片基板II连接，连接处用环氧树脂密封。

所述的阳极导线与光催化负载玻璃相连，连接处使用碳浆和银浆连接。

所述的阴极导线与碳纸电极连接，连接处使用碳浆和银浆连接。

制备微流道芯片，使用微流动泵驱动流体，使得燃料与电解质在微通道中保持并行层流的流动状态。阳极液在光催化剂层表面发生光催化反应及氧化反应，阴极液在负载有铂催化剂的碳纸组成的气体扩散电极处发生还原反应。阳极光催化剂采用二氧化钛纳米棒，由水热法在导电玻璃上合成。由于微流体的物质扩散和电荷传输路径短，阻力小，能够快速实现燃料的补充和产物的排放，因此能够大大提高电池性能。由于阳极液与阴极液分层流动的特性，无需引入物理边界(例如质子交换膜)，仅依靠控制流体流动即能很好的控制两股流体分界面，简化了电池结构，降低制造成本。

本发明使用一种典型的废水污染物(如亚甲基蓝)作为燃料，采用天然矿物质盐(如硫酸钠)作为电解质，水作为溶液载体。当光催化剂受光照激发时，在光催化剂负载玻璃的阳极处产生电子和空穴，发生氧化反应：

TiO₂+hv→TiO₂(e^-+h⁺)