滚压至300 μ m厚，即制成气体扩散层。
[0033]2.将无定型MnO^f化剂与XC-72碳粉按3: 7比例混合，加10%乙醇水溶液搅拌均匀，再加入60% PTFE分散液，PTFE占总质量的40%，80°C水浴搅拌，制成凝胶状碳载二氧化锰阴极催化剂，将催化剂取出干燥至一定程度，用辊压机滚压至300 μ m厚度，即制得阴极催化剂层。
[0034]3.将气体扩散层，不锈钢丝网￠0目)，阴极催化剂层按顺序用辊压机滚压至600 μπι左右厚度，即制成本发明需要的阴极部分。
[0035](3)光电化学池的组装
[0036]按图2将上述制备好的光阳极、阴极按顺序组装并加以固定。
[0037](4)电池操作
[0038]将组装好的光电化学池固定在工作台上，将电池的阳极和阴极与电化学工作站相连接，从电池一端接口通入含硫酸钠电解质的水溶液，经过光-电处理的电解质水溶液从另一端接口流出。开启光源照射光阳极，此时水在光阳极附近被氧化分解，光阳极产生的光生电子经外电路传递至阴极，在MnO2催化剂表面与透过气体扩散层的氧气结合，由此同步实现了水的氧化分解和发电。请参阅图3，本发明所述的光电化学池经电化学工作站所测得的开路电压为1.02V，最大放电功率密度为0.38mA/cm2。为了验证本发明电池的稳定性，设计并进行了 2h的0.6V恒压放电测试，如图4，电池的放电电流密度稳定在0.6±0.02mA/cm2，说明本发明电池能够满足长时间稳定运行的要求。
[0039]以下面两个对照例来说明实施例1的效果。
[0040]对照例I
[0041]作为对照，在实施例1其他条件不变的情况下，光阳极半导体催化不采用纳米线阵列T12，而直接采用商用P25催化剂，测量电池的最大放电功率密度仅为实施例1的1/2。对照例I中P25光阳极制备如下:
[0042]1.称取Ig商用二氧化钛(P25)粉末溶于10ml的无水乙醇中，磁力搅拌器搅拌lOmin，将初步混合好的P25/乙醇溶液超声处理30min使其完全分散。按照P25:松油醇:5wt%乙基纤维素=1: 3: 5的质量比，添加3g松油醇，5g 5wt%乙基纤维素于溶液中，磁力搅拌器搅拌30min。使用旋转蒸发器旋转蒸发溶液中的无水乙醇，即可得到涂布用P25油性浆料。
[0043]2.使用半自动涂布机(刮刀连续可调，能精确控制涂覆厚度至5 ym)将P25浆料涂覆在清洗干净的FTO导电玻璃上，所涂布膜厚度为50 μ m，将涂布完的电极放入马弗炉中进行热处理。热处理采用10°C /min的升温速率，多段式加热，具体升温程序是:室温—260 0C (保温 5min) — 375 °C (保温 5min) — 450 °C (保温 15min) — 500 °C (保温 15min)。为了增强烧结后的P25多孔膜的机械强度，将样品放入40mmol/L TiCl 4水溶液中70°C水浴30min，然后在500°C烧结30min，即可制得P25光阳极。
[0044]对照例2
[0045]作为对照，在实施例1其他条件不变的情况下，阴极催化剂层3不采用MnO2催化剂，而采用Pt/c催化剂，测量电池的开路电压为1.06V，最大放电功率密度为0.Wcm2O表明该发明采用MnO2S电池阴极催化剂时，仍然能够获得与Pt/C催化剂基本一致的放电性能。对照例2中Pt/C阴极制备如下:
[0046]1.按Pt/C(含Pt 60% ): Naf1n溶液(5%) =7: 60的质量比，分别称取0.5gPt/C催化剂与4.28g的Naf1n溶液，添加适量异丙醇，在冰浴中超声搅拌30min，制备超声喷涂用的Pt/c的浆料。
[0047]2.利用超声喷涂机将Pt/C催化剂浆料均匀喷涂在碳纸(200 μ m)表面，控制Pt/C催化剂载量为10mg/cm2。
[0048]3.将担载Pt/C催化剂的碳纸与气体扩散层(实施例1)于80°C、2Mpa下热压5min，即制得Pt/C阴极。
[0049]上述详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明的保护范围中。
【主权项】
1.一种光电化学池，包括光阳极、阴极、电解质水溶液、光源和外接电阻构成，其特征在于:所述的光阳极为多孔半导体材料光阳极，所述的阴极为非贵金属催化剂层阴极板，这两者构成光电化学池的主体部分。将电解质水溶液通入反应室内，开启光源，则所述光阳极产生的光生空穴氧化分解水，光阳极产生的光生电子经外电路传至阴极与空气中的氧气相互结合，由此形成回路，同步实现水的氧化分解和发电。
2.如权利要求1所述的光电化学池，其特征在于所述的光电化学池整体为三明治结构，上下两层分别为阳极层和阴极层，中间层为流道层，且层与层之间用环氧树脂胶密封。
3.如权利要求1所述的光电化学池，其特征在于所述的多孔半导体光阳极材料为具有高光电转换效率的半导体材料:纳米线阵列Ti02，T12纳米管阵列。
4.如权利要求1所述的光电化学池，其特征在于所述的阴极由非贵金属催化剂层、金属网集流层和气体扩散层滚压形成的复合电极。
5.如权利要求1所述的光电化学池，其特征在于所述的阴极非贵金属催化剂选主要有！MnO2、Co3O4-C, N-G (含氮石墨烯)、N-CNT (含氮碳纳米管)。
【专利摘要】本发明涉及一种光电化学池，利用电池自偏压结构，能够在氧化分解水的同时外部设备提供电能的装置，包括纳米线阵列TiO2光阳极、MnO2阴极、电解质水溶液、光源、外接电阻。将硫酸钠电解质水溶液通入反应室内，开启光源，水在光阳极表面直接被氧化分解，光阳极产生的光生电子通过外电路传至阴极并与空气中氧气相互结合。本发明直接以水为反应介质，在不消耗任何有机质燃料的情况，能够得到高效、稳定的放电输出，其电池开路电压为1.02V，最大放电功率密度0.38mA/cm2，对应电流密度0.65mA/cm2。且电池无Nafion膜的三明治结构简化了电池的制备过程，更利于未来实际使用。
【IPC分类】H01M4-90, H01M8-06
【公开号】CN104638276
【申请号】CN201410740512
【发明人】刘建国, 吴程浩, 姚颖方, 周勇, 于涛, 邹志刚
【申请人】南京大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2014年12月3日