人工光合作用中的原位协同思想及流型调控增效机理

This project intends to study solar artificial photosynthesis, in which water and CO2 gas are used as raw materials to produce useable hydrocarbons under the simulated sunlight. We noted that the photo-induced charge reaction and chemical reaction between CO2 and water are not occurring in the same spatial and temporal scales, which resulted in mismatching of the reactions and the low efficiency of artificial photosynthesis. To overcome this fundamental drawback, we propose in situ synergistic concept between the photon-carrier reaction and the fluid chemistry. Novel micro-fluid networks are used to modulate two-phase flow patterns to achieve in situ synergistic reaction, and thus improve the performance of photosynthesis. Cascade-heterogeneously porous catalysts are designed to enhance light absorption and realize vector transport as well as effective usage of the photo-induced charges. Fluid networks with fractal feature are fabricated to investigate its flow patterns at various gas/liquid flow rate. Coupling with numerical modeling of multiphase flow, in situ synergistic relationships between the photo-carrier reaction and the fluid reaction are to be disclosed. The mechanism for the enhanced performance induced by the synergistic effect will be explored. The project introduces the in situ synergistic concept that establish the links between the photon-carrier reaction and chemical reactions. It has important academic significance as well as engineering value, and paves new avenues to develop solar artificial photosynthesis.

开展仿生太阳能光合作用研究，以CO2气体和水为原料，在模拟太阳光作用下，产生可用碳水化合物。申请人首先注意到光致电荷反应及CO2和水的化学反应发生在不同时空尺度，因而不具有协同性，是光合作用性能不能大幅提升的主要原因，据此提出光致电荷反应和流体化学反应的原位协同概念，引入创新微流体网络，对两相流进行调控，实现光致电荷反应和流体化学反应的原位协同，提高光合作用产率。构筑梯级异质修饰多孔催化材料，提升光能吸收及光致电荷定向输运与有效利用；制备分形微通道流体网络，研究不同气液流量下的流型特征；结合两相流建模分析，揭示流体化学反应和光致电荷反应的协同关系，探究两类反应原位协同效应对提升光合作用的增效规律及机理。本项目提出的原位协同概念建立了光反应和化学反应之间的关联性，为开发太阳能光合作用提出了新的思路，具有明显的学术意义和工程指导价值。

人工光合作用可利用太阳能驱动二氧化碳和水反应制备碳水化合物。采用多孔异质催化材料作为催化剂可有效降低反应能垒，原位匹配合适的反应物流动结构，可望显著提升光合成性能。多孔催化剂形貌组成、材料的光电或光热转换特性、以及二氧化碳和水的流动结构等对光合成过程中的传热传质与反应性能具有重要影响。本项目采用实验与模拟相结合的研究手段，全面深入分析并揭示了光致电荷反应与流动化学反应的协同增效机理。首先，对多孔催化阵列膜的制备以及光能捕获与吸收性能开展研究，发现梯级能带设计、氧化与还原位空间分离的多孔催化结构可显著提升光捕获性能，金纳米颗粒和量子点的引入可使黑纳米管的可见光光电流增加45%以上，二氧化硅表面钝化的等离激元复合纳米线阵列可提升本征光电流强度4-28倍。其次，实验模拟研究了等离激元纳米流体在太阳能驱动下的蒸发传质特性，发现纳米液滴产热强度与液滴形状和粒子间的距离密切相关，对特定体积的液滴存在最佳的初始浓度；多相气泡流纳米流体可提供极大的气液接触面积，强化光热吸收同时显著加快了传热传质，蒸汽生成速率可达纯水蒸发速率的三倍以上。最后，采用自行设计的微反应测试平台，分析通道内两相流动引起的的微对流扩散效应等对催化反应的影响，采用高速摄影仪与红外热成像仪同步获取流型与温度分布特征，气-质联用色谱仪和红外光谱等方法对所得产物进行定性﹑定量表征，发现采用梯级能带理念设计的多孔催化剂MoS2/CdS/TNT匹配合适的反应物流态，可使光合成主要产物H2、CO和CH4的产率分别提高67.4、3.8和11.9倍，同时，理论分析了光合成的详细反应进程，建立了光催化反应与流动结构间的关联性。获得的结果为高效太阳能光化学转换研究提供了科学依据。