Recyclable PhotoFuel Cell for Use of Acidic Water as a Medium

Cellule photocombustible recyclable pour l’utilisation d’eau acide en tant que milieu

Department of Chemistry, Graduate School of Science, Chiba University, Yayoi 1-33, Inage-ku, Chiba 263-8522 – Japan
e-mail: tyojuryoku@hotmail.co.jp – yubari.com@ae.auone-net.jp – yizumi@faculty.chiba-u.jp

^* Corresponding author

Abstract

We reported a new PhotoFuel Cell (PFC) comprising two photocatalysts for use of acidic water as a recyclable medium. Nitrogen and oxygen flow was required in the photoanode and photocathode, respectively. In this study, we developed a gas-circulating PFC that needs no gas supply from outside. In the gas-circulating PFC, the reverse reaction of water oxidation at the anode was prevented by the gas flow of photogenerated O₂ from the anode to the cathode inside the PFC. The gas-circulating PFC accommodated an organic solvent layer over the aqueous electrolyte for the anode, and also a vent hole in the upper part of the Proton-Conducting Polymer (PCP) film. O₂ transferred from the anode electrolyte to the organic solvent due to the solubility difference between the HCl solution and organic solvent. O₂ transfer from the gas phase in the anode to that in the cathode was achieved by the vent hole in the PCP film due to the pressure difference due to the progress of the reaction. By the addition of a hexane layer to the anode of the PFC, it was demonstrated to achieve a photocurrent value of 69.7 μA per 1.3 cm² of photocatalysts. However, in the stability tests for more than 7 h, the small amount of remaining O₂ in the electrolyte (2.85 μmol L⁻¹) exhibited serious effects on the PFC performance. The I_SC, V_OC and P_Max values of the gas-circulating PFC were 29.2 μA, 1.18 V and 6.10 μW, that were 40%, 74% and 44%, respectively, of those for a N₂ and O₂ flow-type PFC. Apparently, photocurrents were dramatically suppressed by the reverse reaction at the photoanode in the extended tests for the gas-circulating PFC.

Résumé

Nous décrivons une nouvelle cellule photocombustible (PhotoFuel Cell, PFC) comprenant deux photocatalyseurs utilisant de l’eau acide recyclée. Un flux d’azote et d’oxygène a été nécessaire dans respectivement la photoanode et la photocathode. Dans cette étude, nous avons développé une PFC à circulation de gaz qui n’a pas besoin d’être alimentée en gaz de l’extérieur. Dans la PFC à circulation de gaz, la réaction inverse d’oxydation de l’eau à l’anode a été évitée par le flux de gaz d’O₂ photo-généré de l’anode à la cathode à l’intérieur de la PFC. La PFC à circulation de gaz présentait une couche de solvant organique au-dessus de l’électrolyte aqueux pour l’anode, et également un orifice d’aération dans la partie supérieure du film polymère conducteur de proton (Proton-Conducting Polymer, PCP). L’O₂ était transféré de l’électrolyte de l’anode au solvant organique, à cause de la différence de solubilité entre la solution d’HCl et le solvant organique.

Le transfert d’O₂ de la phase gazeuse à l’anode vers celle dans la cathode a été réalisé par l’orifice d’aération dans le film PCP, du fait de la différence de pression due à la progression de la réaction. En ajoutant une couche d’hexane à l’anode de la PFC, il a été démontré que l’on atteignait une valeur de courant photo-électrique de 69,7 μA par 1,3 cm² de photocatalyseurs. Toutefois, dans les tests de stabilité, pendant plus de 7 h, la faible quantité d’O₂ restant dans l’électrolyte (2,85 μmol L⁻¹) a eu des effets importants sur les performances de la PFC. Les valeurs I_sc, V_oc et P_Max de la PFC à circulation de gaz ont atteint 29,2 μA, 1,18 V, et 6,10 μW, soit 40%, 74% et 44%, respectivement de celles d’une PFC de type à flux de N₂ et d’O₂. Apparemment, les courants photo-électriques ont été considérablement supprimés par la réaction inverse à la photoanode dans les tests prolongés pour la PFC à circulation de gaz.