同时用于废水处理和发电的光催化燃料电池：机理、挑战和未来展望

原标题：同时用于废水处理和发电的光催化燃料电池：机理、挑战和未来展望关注我们，为您推送更多最新资讯引言随着科学技术的进步，人们对能源消费的需求量也与日俱增煤、石油、天然气等不可再生能源的过度使用可能会导致未来出现能源危机，并且还会造成严重的环境污染，因此新能源产业的发展势在必行。

光催化技术是一种可同时用于环境修复、清洁能源生产的新技术，吸引了学界和产业界的广泛关注来自尼泊尔特里布万大学的Deval Prasad Bhattarai课题组联合韩国禹松大学Bishweshwar Pant研究团队在Energies 期刊发表文章，研究综述了光催化燃料电池 (PFC) 的设计机理、应用前景和面临的挑战，介绍了PFC的研究进展，并对其未来进行了展望。

图1. 图文摘要单、双光电极光化学电池 (PEC) 的研究进展传统的水还原制氢主要基于PEC和单一光催化剂，并采用纳米层掺铝氧化锌和氧化钛Cu2O/(Al/ZnO-TiO2/Pt) 保护的电沉积氧化亚铜作为阴极；研究者们还提出了基于双电极的PEC体系 (FTO/WO3纳米片为光电阳极，Cu/Cu2O纳米线/NiOx为光电阴极) 进行水还原制氢。

然而，通过PEC系统生产氢气需要外部电能供应与PEC不同，PFC的设计目的是将化学储存的能量直接转化为电能，并且同时降解有机污染物、发电和产氢等多种功能由Bi-TiO2偶联Pt阴极组成的单光电极降解RhB染料的示意图如图2所示。

图2. PFC与电化学工作站连接的结构示意图[1]用于PFC的电极典型的PFC由两个电极组成，常用的光电阳极有TiO2、ZnO、WO3、α-Fe2O3、BaTiO3、BiVO4等，其中，由于TiO2具有稳定的物理和化学特性、低成本、制备方法简便、无毒、稳定性强和优异的光电性能，其相关的应用也备受关注。

然而，TiO2的带隙相对较高 (3.0~3.2 eV)，可以吸收约4%的太阳辐射，需要吸收紫外线进行电子的光激发，此外光生电子更容易与TiO2中的空穴结合，导致光催化降解降低针对这些限制条件，人们研究了包括表面改性、金属/金属氧化物掺杂、非金属掺杂、染料敏化等技术。

常用的光电阴极有氧化亚铜 (Cu2O)、赤铁矿 (α-Fe2O3)、还原氧化石墨烯 (RGO)、ZnO/CuO复合材料、CuO/Co3O4等在阴极上，电催化剂或光催化剂在有氧条件下诱导氧还原反应，在无氧条件下诱导还原反应、析氢反应。

因此，在阴极上产生的水或氢分别取决于氧的存在或不存在两个电极都与电化学组件中的电解质接触由于光阳极和阴极之间存在电位差，因此需要使用电催化剂，促进电子与电解质的交换PFC阴极常用的电催化剂包括石墨烯、Cu2O等。

微生物燃料电池 (MFC) 机理研究光催化燃料电池的工作易于使用固体能带理论来描述由于孤立原子的特征是充满和空的原子轨道，它们的组装 (包含许多原子的晶格) 构成了紧密间隔的充满和空轨道的形式，基本上形成了一个连续的带。

满键轨道 (最高未占分子轨道，HOMO) 构成价带 (VB)，空反键轨道 (最低未占分子轨道，LUMO) 构成导带 (CB)在价带顶部和导带底部之间的能量差 (以电子伏特为单位) 称为带隙能 (Eg)在电化学设置中，带隙能量影响了电极材料的光学和电学性质。

当带隙很小时，导带和价带重叠，这样电子易于从价带移动至导带两个光电电极都能产生电子/空穴对WO3/W光阳极的费米能级比Cu2O/Cu作为阴极的费米能级低，因此WO3/W光阳极的光电子迁移通过外部电路与Cu2O/Cu光电阴极的空穴结合产生了内部电压偏置。

WO3/W光阳极的空穴和Cu2O/Cu光电阴极的电子可以氧化有机物 (R)，同时进行水的净化和能量的回收当辐照光的能量超过带隙能量时，光激发电子可以从VB提升到CB，这有利于阳极的氧化反应和阴极的还原反应。

在此过程中，光激发电子 (e−) 被转移到半导体电极的CB上，而光激发空穴 (h+) 仍与VB在一起光激发电荷 (电子和空穴) 在半导体电极表面迁移，完成了氧化还原反应 (图3)

图3. PFC电池 (WO3/W−Cu2O/Cu) 降解有机物和发电的能级图 (Vp-光电压)[2]PFC设计的最新进展及应用研究结果表明，双光电极可以更有效地提高PFC的性能为了实现更好的性能，研究者们针对二元、三元材料开展了研究，此外在PFC的设计和使用过程中还采用了光流控、微流控等许多新技术。

目前PFC的应用范围也非常广泛，包括废水处理、从有机物中回收化学能、生产氢气、减少碳排放等

图4. PFC与CO2饱和的甲醇-H2SO4溶液作用原理示意图[3]未来展望与挑战有效的电池设计和光阳极的结构对光催化燃料电池效能的影响至关重要导电衬底包覆的光催化半导体可以在具有强光收集能力的光催化燃料电池的发展中发挥重要作用；导电聚合物可与金属纳米颗粒、纳米纤维结合用于复合材料的开发；表面功能化、提高电极表面面积等设计方法成本低，且具有环保的优点。

此外，成本因素 (使用铂作为电极)、毒性问题 (镉盐)、稳定性和可重用性也是PFC开发中需要考虑的主要问题；而PFC中采用材料的团聚问题是光催化的主要挑战研究总结文章针对用于废水处理和发电的PFC进行了综述和讨论，结果表明：在实际应用中，光电电极的稳定性和可重用性对其可持续性和经济实用性至关重要；此外，不同电极材料使用一定时间前后的XRD研究结果证明了其在燃料电池中应用时的稳定性和可重复使用状态。

作者团队还对进一步的研究工作进行了展望，包括提高电极材料的寿命、采用纳米材料电极获得大的表面积、诱导产生高速率的表面反应等研究内容有助于提升PFC的性能参考文献：1. Liu, D.; Li, C.; Zhao, C.; Nie, E.; Wang, J.; Zhou, J.; Zhao, Q. Efficient Dye Contaminant Elimination and Simultaneously Electricity Production via a Bi-Doped TiO2 Photocatalytic Fuel Cell. Nanomaterials

2022, 12, 210.2. Chen, Q.; Li, J.; Li, X.; Huang, K.; Zhou, B.; Cai, W.; Shangguan, W. Visible-Light Responsive Photocatalytic Fuel Cell Based on WO3/W Photoanode and Cu2O/Cu Photocathode for Simultaneous Wastewater Treatment and Electricity Generation. Environ. Sci. Technol.

2012, 46, 11451–11458.3. Yu, Y.; Xie, F.; Chen, R.; Zhu, X.; Liao, Q.; Ye, D.; Li, J.; Song, S. New insights into the role of CO2 in a photocatalytic fuel cell. J. Power Sources

2021, 487, 229438.文章链接：https://www.mdpi.com/1996-1073/15/9/3216

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