基于新型人工光合作用实现太阳能能量转换、存储和利用的方法
阅读说明：本技术 基于新型人工光合作用实现太阳能能量转换、存储和利用的方法 (Method for realizing solar energy conversion, storage and utilization based on novel artificial photosynthesis ) 是由 李长明 沈杨彬 胡俊蝶 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于新型人工光合作用实现太阳能能量转换、存储和利用的方法,包括如下步骤：(1)将太阳能转换为化学能：聚光太阳能并加热反应器,在反应器内通入二氧化碳和水,在第一催化剂的作用下生成有机液体,存储得到的有机液体；(2)将化学能转换为电能：在聚光太阳能加热条件下,利用第二催化剂将所述有机液体催化生成氢气,并利用生成的氢气驱动燃料电池,产生电能。本发明的基于新型人工光合作用实现太阳能能量转换、存储和利用的方法,整个过程仅仅需要水和二氧化碳作为反应物,通过太阳能即可高效实现光热转换,便可以完成太阳能的转换、存储和利用,避免能量转换效率较低受卡诺循环限制的热机过程,是一种液态太阳能的高效转换方案。(The invention discloses a method for realizing solar energy conversion, storage and utilization based on novel artificial photosynthesis, which comprises the following steps: (1) conversion of solar energy into chemical energy: concentrating solar energy and heating a reactor, introducing carbon dioxide and water into the reactor, generating organic liquid under the action of a first catalyst, and storing the obtained organic liquid; (2) conversion of chemical energy into electrical energy: and under the heating condition of concentrating solar energy, catalyzing the organic liquid by using a second catalyst to generate hydrogen, and driving a fuel cell by using the generated hydrogen to generate electric energy. According to the method for realizing solar energy conversion, storage and utilization based on the novel artificial photosynthesis, only water and carbon dioxide are needed as reactants in the whole process, photo-thermal conversion can be efficiently realized through solar energy, conversion, storage and utilization of the solar energy can be completed, the heat engine process that the energy conversion efficiency is low and is limited by Carnot cycle is avoided, and the method is an efficient conversion scheme of liquid solar energy.)
技术领域
本发明属于太阳能的利用技术领域，具体的为一种基于新型人工光合作用实现太阳能能量转换、存储和利用的方法。
背景技术
当前，利用太阳能来取代化石燃料为人类提供燃料及能源，是解决当前环境问题的采用重要途径之一。利用仿生光合作用制氢或光解水/光电解水的太阳能直接利用热机转换成仍处于研究阶段且效率较低。聚光太阳能热机-电能的能源转换过程，受卡诺循环的限制，其能源转换效率不高，太阳能电池目前不利于移动电源的需求及不涉及能源存储的环节。
2011年，美国加州理工学院和瑞士科学家携手研制出了一种太阳能反应器，采用低成本的新型催化剂，可集中太阳的热量，通过热化学循环方法，将水和二氧化碳转变为氢气和一氧化碳，而大量的氢气和一氧化碳结合在一起可形成液态燃料。实验设备包括两部分，其中一部分是由加州理工学院研制的圆柱状容器，其内壁布满了二氧化铈；第二部分是目前安放在瑞士保罗谢勒研究所的太阳能收集器，它是一套巨大的曲面镜，可大范围收集太阳光。
2016年美国德克萨斯大学阿灵顿分校的研究人员Brian Dennis(布莱恩·丹尼斯)等人发现光热化学流体反应器中，在180℃到200℃和6个大气压条件下，二氧化碳和水可以一步转化为液态烃和氧气。他们解释说集中光能引起光化学反应产生高能中间体和热，从而引发形成碳链的热化学反应，这样就在单步过程中产生了碳氢化合物。因此他们使用抛物镜将阳光集中于催化剂床上，为反应提供热量和光激发。多余的热还可以用来带动相关太阳能燃料设施运行，包括产物分离、水净化等。
2019年美国伊利诺大学厄巴纳-香槟分校Prashant Jain等人发现，可以使用新型的人工光合作用，借助太阳能将二氧化碳和水转换成液态燃料。液态燃料是理想的能源，在运输过程中比天然气、氢气等燃料更容易、安全和经济。2019年中国科学院大连化学物理研究所的王晓东团队使用两步法实现了太阳能高温热化学储能，他们发现在900℃等温条件下二氧化碳和水可以裂解生成一氧化碳和氢气。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于新型人工光合作用实现太阳能能量转换、存储和利用的方法，实现了太阳能→热能→化学能→电能的转换，通过将太阳能转换成有机液体，不但能实现能量转换，还能实现储能，避免能量转换效率较低受卡诺循环限制的热机过程，是一种液态太阳能的高效转换方案。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于新型人工光合作用实现太阳能能量转换、存储和利用的方法，包括如下步骤：
(1)将太阳能转换为化学能：聚光太阳能并加热反应器，在反应器内通入二氧化碳和水，在第一催化剂的作用下生成有机液体；
(2)将化学能转换为电能：在聚光太阳能加热条件下，利用第二催化剂将所述有机液体催化生成氢气，并利用生成的氢气驱动燃料电池，产生电能。
进一步，所述步骤(1)中，生成的有机液体为甲醇、甲酸或者甲醛。
进一步，所述第一催化剂包括但不限于二氧化铈、二氧化钛和铜锌合金中的一种或至少两种的混合物。
进一步，所述第二催化剂包括金属有机化合物和/或负载型单原子催化剂。
进一步，所述金属有机化合物包括但不限于有机铱、有机钌和有机铑中的至少一种。
进一步，所述负载型单原子催化剂包括但不限于氮化锆负载的单原子铂催化剂、氮化锆负载的单原子铱催化剂和氮化锆负载的单原子铑催化剂中的至少一种。
进一步，所述有机液体经催化反应后生产包含氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体，将所述混合气体经分离提纯后得到的氢气通入所述基于质子交换膜燃料电池或其他类型的燃料电池的阳极区或将混合气体直接通入所述燃料电池的阳极区。
本发明的有益效果在于：
本发明的基于新型人工光合作用实现太阳能能量转换、存储和利用的方法，首先利用太阳能将二氧化碳和水转化为有机液体，不但将太阳能转换为化学能，而且有机液体便于存储和转运；在能量利用过程中，利用太阳能热催化有机液体分解生成氢气，利用氢气可直接驱动燃料电池产生电能，实现化学能至电能的转换，整个过程仅仅需要水和二氧化碳作为反应物，通过太阳能即可高效实现光热转换，便可以完成太阳能的转换、存储和利用，避免能量转换效率较低受卡诺循环限制的热机过程，同时又可解决温室气体问题，是一种液态太阳能的高效转换方案。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明基于新型人工光合作用实现太阳能能量转换、存储和利用的方法中太阳能的转换过程示意图；
图2为聚光太阳能装置及反应器的结构示意图；
图3为金属有机化合物催化剂的化学结构图；
图4为实施例1中催化甲醇与水重整的第二催化剂的化学结构图；
图5为实施例2中催化甲酸分解反应的第二催化剂的化学结构图；
图6为实施例3中催化甲醛分解反应的第二催化剂的化学结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明基于新型人工光合作用实现太阳能能量转换、存储和利用的方法中太阳能的转换过程示意图。本实施例基于新型人工光合作用实现太阳能能量转换、存储和利用的方法，包括如下步骤：
(1)将太阳能转换为化学能：聚光太阳能并加热反应器，在反应器内通入二氧化碳和水，在第一催化剂的作用下生成有机液体，存储得到的有机液体。如图2所示，太阳能在聚光器的作用下加热反应器，使反应器产生500-1200℃高温，二氧化碳和水输入反应器，在第一催化剂作用下，生成有机液体，从而实现太阳能的转换并存储。具体的，生成的有机液体为甲醇、甲酸或者甲醛，第一催化剂包括但不限于二氧化铈、二氧化钛和铜锌合金中的一种或至少两种的混合物。
(2)将化学能转换为电能：在聚光太阳能加热条件下，利用第二催化剂将所述有机液体催化生成氢气，并利用生成的氢气驱动燃料电池，产生电能。具体的，第二催化剂包括金属、金属氧化物、金属有机化合物和/或负载型单原子催化剂。金属有机化合物包括但不限于有机铱、有机钌和有机铑中的至少一种。负载型单原子催化剂包括但不限于氮化锆负载的单原子铂催化剂、氮化锆负载的单原子铱催化剂和氮化锆负载的单原子铑催化剂中的至少一种。
进一步，所述有机液体经催化反应后生产包含氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合气体，将所述混合气体经分离提纯后得到的氢气通入所述基于质子交换膜燃料电池或其他类型的燃料电池的阳极区或将混合气体直接通入所述燃料电池的阳极区。
甲醇、甲酸及甲醛可以用于存储氢原子，并在第二催化剂的作用下，生成氢气和二氧化碳。反应方程式如下：
反应1：CH3OH+H2O→3H2+CO2
反应2：HCHO+H2O→2H2+CO2
反应3：HCOOH→H2+CO2
对于反应1，第二催化剂可以使用有机铱、有机钌、有机铑、氮化锆负载的单原子铂催化剂、氮化锆负载的单原子铱催化剂、氮化锆负载的单原子铑催化剂来催化完成。
对于反应2，第二催化剂可以使用有机钌或者氮化锆负载的单原子钌催化剂来完成。
对于反应3，第二催化剂可以使用有机铱和有机铑来催化完成。
本文所述的金属有机化合物(有机铱、有机钌和有机铑)主要是具有如图3所示的化学结构，并与含氮杂环配位的金属有机催化剂。
由于上述催化剂具有较高的活性和选择性，因此产生的氢气可以直接用于氢氧燃料电池，实现化学能转变成电能。
下面结合具体实例对本实施例的具体实施方式做进一步说明。
实施例1
本实施例基于新型人工光合作用实现太阳能能量转换、存储和利用的方法，包括如下步骤：
(1)使用如图2所示的聚光太阳能装置，聚光太阳能用于加热反应器，反应器温度达到800℃后，往反应器中通入水和二氧化碳，以二氧化铈、二氧化钛、纳米铜锌混合物作为第一催化剂，催化二氧化碳和水反应，产生甲醇和氧气。甲醇是液体，可以直接用冷凝装置收集。
(2)使用如图2所示的聚光太阳能装置，将反应器加热至150℃。往反应器中通入水和甲醇，以如图4所示结构的化合物作为第二催化剂，催化甲醇与水重整，产生氢气和二氧化碳。反应过程中无CO产生。
本实施例将甲醇与水重整反应，产生的二氧化碳和氢气混合物，可直接输入质子交换膜燃料电池或其他类型燃料电池产生电能。
实施例2
本实施例基于新型人工光合作用实现太阳能能量转换、存储和利用的方法，包括如下步骤：
(1)使用如图2所示的聚光太阳能装置，聚光太阳能用于加热反应器，反应器温度达到800℃后，往反应器中通入水和二氧化碳，以二氧化钛作为第一催化剂，催化二氧化碳和水反应，产生甲酸和氧气。甲酸是液体，可以直接用冷凝装置收集。
(2)使用如图2所示的聚光太阳能装置，将反应器加热至90℃。往反应器中通入水和甲酸，以如图5所示结构的化合物作为第二催化剂催化剂，催化甲酸分解产生氢气和二氧化碳。反应过程中无CO产生。
本实施例将甲酸分解产生的二氧化碳和氢气混合物，可直接输入质子交换膜燃料电池产生电流。
实施例3
本实施例基于新型人工光合作用实现太阳能能量转换、存储和利用的方法，包括如下步骤：
(1)使用如图2所示的聚光太阳能装置，聚光太阳能用于加热反应器，反应器温度达到800℃后，往反应器中通入水和二氧化碳，以二氧化铈作为第一催化剂，催化二氧化碳和水反应，产生甲醛和氧气。甲醛水溶液是液体，可以直接用冷凝装置收集。
(2)使用如图2所示的聚光太阳能装置，将反应器加热至90℃。往反应器中通入甲醛水溶液，以如图6所示结构的化合物作为第二催化剂，催化甲醛水溶液分解产生氢气和二氧化碳。反应过程中无CO产生。
本实施例将甲醛分解产生的二氧化碳和氢气混合物，可直接输入质子交换膜燃料电池或其他类型燃料电池产生电能。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
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