太阳能-CO2/H2O-合成气耦合循环系统构建与调控

Carbon dioxide(CO2) is the most important greenhouse gas released by human activities, and its thermodynamic stability makes its activation energy demanding and challenging. For the purpose of CO2 resource recovery and hydrogen utilization, new reforming technology of CO2/H2O will be developed in the solar thermal electrochemical process(STEP) where syngas(CO and H2) can be generated from hybrid water splitting and CO2 decomposition driven by solar energy efficiently. The main research is to utilize the solar-thermal and photo-electrical effect to deoxidize stable molecules (CO2/H2O) by electrolysis into energetic material (C or CO and H2) at high temperature. The key problem of reforming technology is to study electrolysis reduction of CO2/H2O at high temperature. Based on the keystone and theoretical study of solar energy decompose stable molecules to make energetic materials, the theoretical framework and foundation(theory and process of STEP) of hybrid CO2/H2O system decomposition driven by solar energy will be established. The experiments of CO2/H2O electrolysis and STEP will be conducted by taking advantage of the perfect matching coupled principle of energy level, spectrum, potential which can build highly effective integrating coupled solar-CO2/H2O-CO/H2 system to deoxidize the hybrid CO2/H2O to syngas(CO/H2). Hence, new modeled and integrated reforming technology of CO2/H2O for syngas can be developed through STEP. With an efficiency of solar energy conversion more than 60%, the conversion efficiency of CO2/H2O-CO/H2 is over 25%, where a perfect and sustainable solar-CO2/H2O-syngas coupled cycle generated.

全部利用太阳能作能源，以CO2资源化和氢能利用为目的，建立CO2/H2O制取合成气的STEP过程，高效地将CO2/H2O耦合分解成CO/H2制取合成气。主要研究内容是同时利用太阳能光热和光电效应，通过高温电解将环境稳定分子（CO2/H2O）还原成含能物质（CO/H2），其核心是CO2/H2O的高温电解还原。具体内容是通过太阳能分解稳定分子制含能物质的基本原理和理论研究，给出太阳能驱动CO2/H2O耦合分解的STEP系统理论框架和基础(理论与过程)；利用能级、光谱、电势等完美匹配耦合原则，调控构建高效集成耦合型太阳能-CO2/H2O-CO/H2系统，将CO2/H2O还原成CO和H2，并形成CO2/H2O利用STEP过程模型化和集成化工艺流程。系统太阳能利用总效率高于60%，系统CO2/H2O-CO/H2转化效率高于25%，构成完美、可持续的太阳能-CO2/H2O-合成气耦合循环。

近年来大气中温室气体二氧化碳的浓度急剧上升，导致全球气温快速升高，碳减排与低碳经济已成为全球关注且亟待解决的热点课题。项目创新地提出太阳能驱动CO2/H2O转化制合成气的新途径，协同调控研究了太阳能光-热-电耦合利用效率和分子光热-电化学反应特性，探索了STEP过程CO2/H2O定向转化的作用机理，调控研究了CO2/H2O电化学转化的不同历程，揭示了CO2/H2O转化制合成气可能的反应模式，探讨了太阳能驱动CO2/H2O资源化再利用的耦合调控机制，完成了CO2的无害化与高附加值资源化利用，同时实现了太阳能向化学能的转化与储存。. 本项目通过对CO2/H2O转化反应的热力学性质、反应平衡常数及电势等进行计算及理论研究，明确了热或其他外场力作用使CO2/H2O电化学定向转化制合成气的可能性；理论电解电势随着温度的升高而下降；同一温度反应产物组成及种类可通过反应条件的调控得以解决。针对CO2/H2O高温电化学转化制合成气电解单元（项目研究核心）进行了系统研究，成功获得H2/CO不同摩尔比的合成气，详细考察了极化、循环伏安、恒电压及恒电流等工作特性曲线；借助气相色谱仪（GC）、红外光谱仪（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）等考察了反应条件对产物组成及含量的影响，包括：氢氧化物种类、混合碳酸盐组成、熔盐氢碳摩尔比（nH:nC）、电解温度、电解电压等。研究结果表明，采用金属镍作为阳极，铁作为阴极时，高温熔融Li0.85Na0.61K0.54CO3/0.08LiOH为电解质，450℃，2.5V恒电压电解，产物中有大量合成气生成，其中CO含量为31.14%，H2含量为55.62%，同时生成了少量的烃类副产物，电流效率达到94.53%。通过改变体系中氢碳的摩尔比（nH:nC）可以实现合成气产物的H2/CO摩尔比范围可在0.6~7.8之间进行调控，高效地实现合成气的可控合成。本项目成功利用太阳能驱动电解高温混合熔盐实现CO2/H2O转化为合成气，通过中间产物Li2O、Na2O、K2O吸收CO2/H2O，实现电解质的再生，从而构筑一个完整的循环，最终实现CO2/H2O至合成气的可控、协同转化，高效、绿色地实现了CO2的资源化利用。