光催化燃料电池能够利用太阳能通过光/电/化学反应直接将废水中蕴含的化学能转化为电能，实现降解废水中污染物的同时产生清洁能源，对太阳能利用和废水资源化利用具有重大意义。目前，已有研究主要针对光阳极催化材料和结构开展研究以提升电池性能。而光催化燃料电池光阳极具有复杂的微纳多孔结构，涉及到耦合光电化学反应的能质传输过程，深入认识其中的能质传输特性及其与光电化学反应的耦合机制对设计和优化光阳极结构及运行参数，进而提升光催化燃料电池性能起着至关重要的作用。正是由于光阳极具有复杂的微纳多孔结构，难以通过实验直接获得其中的能质传输特性，因此数值模拟方法已成为探究光阳极内耦合光电化学反应能质传递特性的有效手段之一。然而大部分光阳极的数值模拟研究中，催化层内的光传输多采用半经验公式描述，忽略了光在多孔催化层中的散射作用，给光阳极的模拟计算带来一定的不确定性。针对上述情况，本文以光催化燃料电池通常采用的TiO2多孔光阳极为研究对象，首先确定了TiO2多孔薄膜的辐射参数；然后，基于辐射传输理论建立了TiO2多孔薄膜光传输模型，获得了光在TiO2多孔薄膜内的传输特性；最后，基于辐射传输理论和确定的辐射参数，考虑电子、空穴和有机底物的传输，建立了TiO2多孔光阳极内耦合光电化学反应的能质传输理论模型，研究了光阳极内能质传输特性及其对电极性能的影响规律。主要研究成果如下：
　　①TiO2多孔薄膜辐射参数的确定
　　制备了不同载量的TiO2多孔薄膜和不同孔隙率的TiO2/PMMA多孔薄膜，通过UV-VIS和SEM对其光学参数和微观结构进行表征，确定了多孔薄膜的半球反射率、半球透射率和薄膜厚度。结果发现在紫外光谱段，多孔薄膜的半球反射率随载量和孔隙率的增加而几乎保持不变，而半球透射率随载量和孔隙率的增加而减小；在可见光范围内，多孔薄膜的半球反射率随载量和孔隙率的增加而增加，而半球透射率随载量和孔隙率的增加而减小。基于实验结果，利用谱元法反演得到TiO2和TiO2/PMMA多孔薄膜的散射系数和吸收系数。结果发现多孔薄膜的吸收系数在紫外光谱段随波长的增加而迅速减小，在可见光范围基本保持不变。多孔薄膜的散射系数随着波长的增加而先增加后减小，波长约为378nm时达到最大；同时发现多孔薄膜的散射系数随TiO2∶PMMA质量比的减小（孔隙率的增加）而显著增加，而吸收系数仅小幅增大。
　　②TiO2多孔薄膜光传输的数值模拟
　　基于辐射传输理论建立了TiO2多孔薄膜光传输理论模型，利用确定的TiO2多孔薄膜辐射参数，获得了多孔薄膜内当体积光子能量吸收速率LVREA分布和光子吸收效率，发现LVREA在TiO2和TiO2/PMMA多孔薄膜内均沿入射方向迅速减小。分析了薄膜厚度、入射光强和孔隙率对光传输特性的影响规律，发现LVREA在不同厚度的TiO2和TiO2/PMMA多孔薄膜内的变化趋势相同。同时薄膜厚度从5μm增加到10μm时，光子吸收效率增加，而厚度为10μm、20μm和30μm时，薄膜的光子吸收效率保持不变。研究还发现TiO2和TiO2/PMMA多孔薄膜内LVREA均随入射光强增加而显著增加，通过计算薄膜光子吸收效率发现光强变化不影响TiO2和TiO2/PMMA多孔薄膜的最大光子吸收效率。研究还发现在给定入射光强条件下，随着TiO2∶PMMA质量比的减少，LVREA在靠近薄膜入射区域内增加，但光子吸收效率降低。
　　③TiO2多孔光阳极耦合光电化学反应的能质传输数值模拟
　　基于辐射传输理论，考虑光生载流子（电子和空穴）以及孔隙中的有机物传输，建立了耦合光电化学反应的能质传输模型，获得了TiO2多孔光阳极的能质传输特性，研究了催化层厚度、入射光强、甲醇浓度和催化层孔隙率对光阳极能质传输特性和电化学性能的影响规律。研究发现，与传统基于半经验公式光强分布的光阳极传输模型相比，基于辐射传输理论的光阳极能质传输模型结果与实验结果吻合得更好，表明本模型能够更好地描述光阳极内的光传输。研究还发现催化层厚度从5μm增加到10μm时，光阳极短路电流密度和电子密度均增加，而厚度为10μm、20μm和30μm时保持不变；同时，甲醇浓度随催化层厚度增加而降低。随着入射光强和甲醇浓度的增加，短路电流密度和电子密度均增加；同时，光阳极内甲醇浓度随入射光强增加而减低，但随着进口甲醇浓度增加而增加。研究还发现与TiO2/PMMA光阳极相比，光阳极为TiO2时的短路电流密度最大。