H2O
2h
1 2
O2
2H
(TiO2 )
2H 2e H 2 (Pt)
1 H2O 2hv 2 O2 H2 (Overall)
n-TiO2电极光电分解水 的实验第一次揭示了人
类利用太阳光的可能性。
A. Fujishima and K. Honda., Nature, 1972, 238, 37
半导体光催化的原理
表面复合
hv
+
hv
CB
VB
AA
体相复合
+
D+ D
助剂提高光催化活性的原理
Pt, Ru, Pd…
电子捕 获位
e CB
VB h
RuO2
空穴捕 获位
光生电子或空 穴在对应活性 位的富集，促 进了光生电子 和空穴的分离， 并且降低了氢 氧过电位，提 高了光催化活 性。
燃料电池与光催化原理的对比
H2
1 2
O2
H2O(Overall)
Electricity
各种燃料电池的工作原理
Martin Winter and Ralph J. Brodd, Chem. Rev., 2004, 104, 4245
光催化的定义
光化学过程：广义上，在光的 作用下发生的化学过程。 光催化：属于光化学过程，但 除光的作用外，还要有催化剂 的参加。
Seminar I
燃料电池原理 及其与光催化的对比
报 告 人: 宗旭 博士生 指导老师: 李灿 院 士
大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室
燃料电池及光催化研究的背景
能源与环境问题是人类必 须解决的两大问题！
Robert F.Service, Science, 2005, 309, 548
燃料电池的工作原理
成本高； 电池的性能及寿命； 系统集成；
催化剂的活性、稳 定性低；
催化剂对可见光的 响应差；
量子效率低；
解决方法的对比
直接甲醇燃料电池：
光催化分解水：
降低贵金属的用量或采 用非贵金属催化剂体系；
阳极、阴极甲醇氧化还 原机理研究；
低甲醇透过率质子交换 膜的研制；
设计适宜的电池结构。
寻找高效、稳定的光 催化剂；
绿色植物的光合作用
CO2+H2O O2
光合作用：在多种酶的催化下，绿色植物吸收太阳的 光能，把CO2和H2O合成有机物，同时释放氧气的过程。
光催化能量转化的途径
Nathan S. Lewis, Nature, 2001, 414, 589
人类光催化第一次成功探索
TiO2 2hv 2e 2h
燃料
导电离子
氧化剂
阳
阴
极
极
电 解 质
燃料电池
电子捕 获位
e CB
VB h
空穴捕 获位
光催化
电化学的对比
光催化分解水：
燃料电池：
H2O
2hv
1 2
O2
H2
H2
1 2
O2
H2O
Electricity
G0 238kJ / mol(E0 1.23V )
阴阳极过电位，电子空 穴分离传输，能带弯曲 等，理想带宽2.5eV左 右。
燃料电池与光伏电池的对比
燃料
导电离子
氧化剂
阳
阴
极
极
电 解 质
np
应用形式的对比
燃料电池：
光催化：
应用领域的对比
燃料电池：
光催化：
大型电站发电； 便携移动电源； 应急电源； 家庭电源； 汽车，军舰…
降解环境污染物； 化学合成； 太阳能光电池；
太阳能光解水、生 物质制氢…
面临问题的对比
直接甲醇燃料电池： 光催化分解水：
活化极化，浓差极化， 欧姆极化导致实际电压 小于理论电压1.23V， 实际单体电压0.6-0.8V。
பைடு நூலகம்
光伏电池的原理
当阳光从电池上层表面入射到电池内部时，入射光子分别为各区 的价带电子所吸收并激发到导带产生电子-空穴对。在势垒区内建 电场的作用下，将电子扫入n区，将空穴扫入p区，各区产生的光 生载流子形成光生电流，实现光产生电的转换。
阳离子、阴离子掺杂 等提高可见光响应；
光催化反应机理的研 究。
光催化提高燃料电池的性能
CFE / Pt Ru methanol H2O CFE(6e) / Pt Ru CO2 6H CFE / TiO2 methanol H2O hv CFE / TiO2 (6e) CO2 6H
燃料
导电离子
氧化剂
阳
阴
极
极
电 解 质
燃料电池由阳极、阴 极和离子导电的电解 质构成，其工作原理 与普通电化学电池类 似，燃料在阳极氧化， 氧化剂在阴极还原， 电子从阳极通过负载 流向阴极构成电回路， 产生电流。
质子膜燃料电池的工作原理
H2 2H 2e ( Anode)
2H
2e
1 2
O2
H 2O(Cathode)
Prashant V. Kamat, et al., J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 11851
燃料电池和光催化结合的前景
CO2
H2O
H2O
H2
O2
Water
CO2
Photocatalysis Hydrogen Storage
Fuel Cell
谢 谢 大 家!