能源危机和环境污染是人类未来可持续发展所面临的两大严峻问题,尤其是水污染问题会严重影响水体生态系统和威胁人类健康。因此,污水处理已成为人们的关注焦点之一。传统的污水处理技术往往关注如何快速高效地去除污染物。但是,废水中蕴含大量的化学能,若是能在处理过程中加以回收利用,不但可以减少环境污染,同时也能缓解能源危机。近年来半导体光催化技术逐渐成为废水处理研究领域的热点,其和燃料电池技术而衍生出的光催化燃料电池技术可以利用太阳能在降解废水的同时将废水中蕴含的化学能转化为电能,实现废水的资源化利用,极具发展前景。并且,光催化燃料电池使用廉价半导体代替传统燃料电池的贵金属催化剂,降低了电池成本。但是,目前光催化燃料电池仍有许多关键问题尚未解决,例如光能利用率低,电池结构体积大,传质阻力大,电子空穴复合率高,催化层比表面积低等等。针对以上不足,本文结合质子交换膜燃料电池膜电极结构设计,提出了一种基于膜电极设计的光催化燃料电池,使电池系统更为紧凑,使用更为灵活,减小了电池内的传质阻力。主要研究工作包括以下几个部分:(1)基于膜电极设计转贴式光阳极的光催化燃料电池利用转贴法设计和制备了基于膜电极设计转贴式光阳极的光催化燃料电池。该方法先将二氧化钛喷涂在PTFE薄膜上,再通过热压将催化层转贴到质子交换膜上,最后再与阴极热压形成膜电极。实验研究了光强和流速两种参数对基于膜电极设计转贴式光阳极的光催化燃料电池产电性能的影响。结果发现光强对电池性能影响较大,增大光强可提升电池性能;流速增加导致电池性能下降,但下降幅度较小。但是,该方法制备的电池性能较差,主要是由于受限于膜材料,该方法制备的光阳极无法在高温下煅烧且不能进行敏化处理。(2)基于膜电极设计湿喷法光阳极的光催化燃料电池针对转贴法光阳极存在的问题,本章设计和制备了基于膜电极设计湿喷法光阳极的光催化燃料电池。该方法是将二氧化钛先喷涂在碳纸表面,煅烧处理后量子点敏化,再与热压有阴极的质子交换膜结合构成膜电极。结果表明,与转贴相比,该方法制备的电池性能得到大幅提升。实验研究了电解液环境和敏化两个参数对电池性能的影响,发现碱性环境下的电池的性能最好,敏化后可拓宽光谱吸收范围,提高了太阳能利用率及电池性能。之后研究了光强、流速、电解质浓度、有机物浓度四个参数对电池性能的影响规律。结果表明:提高光强可产生更多的电子空穴对,可大幅提升性能;增大流速会降低电池产电性能;提高电解质KOH浓度可使得电池产电性能相应得到提升;当有机物浓度增大时,电池性能先升高再降低。(3)基于膜电极设计具有介孔结构可见光响应光阳极的光催化燃料电池针对目前光催化燃料电池光阳极的比表面积低导致电池性能差的问题,本文设计了基于膜电极设计具有介孔结构可见光响应光阳极的光催化燃料电池,制备了CdS-ZnS-TiO2/SBA-15四元复合光阳极并通过TEM,FE-SEM,BET,UV-vis等方法对光阳极进行表征。结果发现SBA-15明显增大了催化层的比表面积,并可以吸附更多的敏化剂。此外,还研究了基于膜电极设计具有介孔结构可见光响应光阳极的光催化燃料电池光响应特性和长时间放电特性,发现该电池具有良好的光响应特性和运行稳定性。之后又研究了光强、流速、电解质浓度、有机物浓度、SBA-15掺杂比例等参数对电池产电性能的影响。实验结果表明电池在碱性环境下性能优于中性环境。此外,随着光强、电解质浓度的增大,电池的产电性能相应得到提升,随着流速的增大电池性能下降,随着乙醇浓度和SBA-15掺杂比例的增大,电池性能先上升后下降,存在最优工况。(4)基于阴离子交换膜电极设计的光催化燃料电池本文也研究了基于阴离子交换膜电极设计的光催化燃料电池,采用阴离子交换膜替代质子交换膜。对基于阴离子交换膜电极设计的光催化燃料电池,分别研究了光强、流速、电解质浓度、有机物浓度四个参数对其性能的影响规律,结果表明:增大光强可有效提升电池性能;增大流速会降低电池产电性能;当电解质KOH浓度由0.1M增加到0.3M,电池产电性能相应得到提升;与质子交换膜不同,当乙醇浓度从1%增加至20%,电池产电性能得到提升。实验还发现,在相同工况下,质子交换膜光催化燃料电池比阴离子交换膜光催化燃料电池具有更好的性能,其原因可能是本章所采用的阴离子交换膜厚度较大限制了氢氧根离子的传输。