[发明专利]太阳能仿生催化的液态燃料的合成方法

说明书

本发明公开了仿生太阳能液态燃料的合成方法，利用太阳能将二氧化碳和水在光催化剂及生物催化剂的协同作用下高效转化为液态燃料的联合技术；通过将化反应和微生物电合成两种反应体系进行优势互补，利用太阳能装置实现二氧化碳向液态燃料的高效转化，最后将液态燃料通过燃料电池的使用将合成的液态燃料转化为电能和COsubgt;2/subgt;，实现碳的有效循环，有望解决所面临的能源危机及温室效应等环境问题，实现清洁能源的可持续发展。

技术领域

本发明涉及可再生清洁能源利用技术领域，尤其是利用太阳能将二氧化碳和水在光催化剂及生物催化剂的协同作用下高效转化为液态燃料的联合技术。

背景技术

随着全球环境污染及能源匮乏等问题的逐渐加剧，寻求高效的清洁能源代替现有的化石能源是目前的研究重点。煤炭石油天然气等传统化石能源的大量消耗不仅带来能源储量的急剧减低，还引发了严重的环境污染问题，尤其是CO₂等温室气体的排放严重威胁了全球的生态平衡。如何减少大气中的含量，缓解温室效应并将其转化为清洁能源，实现可再生能源的高效利用已经引起了广泛的关注。近年来，利用均相和非均相催化氢化、无机光电催化以及热解等方法将CO₂进行活化的“碳捕获和利用”技术已经取得了很大的进步，实现了CO₂将转化甲烷、甲醇以及更长的碳链醇和脂肪酸酯聚合物等有机物。CO₂生物固定方法可以在温和条件下实现CO₂转化利用，相比于无机催化方法具有更多的优点，其中微生物电合成方法是目前的研究重点，目前已经实现了利用微生物电合成生产甲烷、甲酸、乙酸、丁酸等有机物。然而，对于微生物电合成方法而言，目前的合成效率还远远不足以使其在工业生产中大规模推广应用，其主要难点在于微生物固碳途径的代谢速率较低以及低效率的微生物胞外电子转移。为推动微生物电合成固碳途径的发展和实际应用，达到工业化的生产需求，除了改造微生物的遗传途径以及设计高效的电极材料之外，优化反应器设计以及联合利用多种能源生产手段提高转化效率是一种更加有效的手段。

太阳能是公认的最清洁的能源替代来源，太阳能利用的形式主要有光伏、光热、绿色植物等形式。光催化有机合成能够利用太阳能实现有机物在常压下的转化，已经被广泛的应用在胺到亚胺类有机物、醇到醛类有机物等有机合成反应中，并且产物的选择性较好。然而，该有机合成的催化转化率都较低，要实现高效率的有机物合成仍然具有很大的挑战。最近，“液态阳光”概念的提出使得可见太阳光的应用场景得到极大扩容，其目的在于从阳光、二氧化碳以及水中提取可再生绿色液态燃料，将其转化为可存储、可运用的能量，但是“液态阳光”要在工业上实现大规模推广应用仍然有很多技术瓶颈需要突破。目前现有报道过光催化反应以及微生物电合成均能实现二氧化碳的转化再利用，有望在降低大气中二氧化碳浓度的同时将其转化为可利用的液态燃料，然而目前的转化效率都较低不足及在工业中大规模应用。综上所述，将两种反应体系进行优势互补，利用太阳能装置实现二氧化碳向液态燃料的高效转化，有望解决所面临的能源危机及温室效应等环境问题，实现清洁能源的可持续发展。

发明内容

了解决上述技术问题，本发明将光催化剂及生物电合成两种反应体系进行优势互补，利用太阳能装置实现二氧化碳向液态燃料的高效转化，然后将液态燃料通过燃料电池的使用将合成的液态燃料转化为电能和CO₂，实现碳的有效循环（原理见图1）。

为实现上述目的，液态燃料的合成过程设计为两条路线（见图2）：

（1）第一条路线：二氧化碳在光催化剂的催化下首先生成CO、甲醛、CH₄等中间产物。该步反应中，选择不同的光催化剂得到的主要产物不同，比如BiVO₄和氧化锌等催化剂主要把CO₂还原成甲烷、Ti基化合物主要可以把CO₂催化还原成甲酸等；再针对不同的中间产物合理选择微生物/生物酶/仿生酶催化剂对中间产物进一步催化生成甲醇和乙醇等液态燃料终产物；