太阳能驱动二氧化碳/水STEP过程合成烃机制与调控研究

Based on the intersection of four major concepts of hot spot, solar energy utilization, carbon dioxide utilization, solar fuel and STEP(Solar Thermal Electrochemical Production) process, it proposes the theory and process research of solar thermal/electrical coupling controlled hydrocarbons generation system from environmental stable molecules of CO2/H2O. It is obvious that this is a new path to convert and store the solar energy as chemical energy using the solar energy to convert CO2/H2O into energetic molecule hydrocarbons. Using the solar energy as the energy resource, the main research of the project is to carry out the specific chemical transformation from CO2/H2O to hydrocarbon reaction efficiently by collaborating and coupled controlling solar light-heat-electricity utilization efficiency and molecular light-heat-electrochemical reaction characteristics. The core of this project is the STEP process for hydrocarbons generation from CO2/H2O reduction and reformation. It aims to transfer or store the solar energy as chemical energy efficiently through greatly improving the utilization efficiency of solar energy. The system energy all comes from solar energy. With an efficiency of solar energy conversion more than 60%, the conversion efficiency of CO2/H2O-hydrocanbons is over 30%, where a perfect and sustainable solar-CO2/H2O-hydrocarbons coupled cycle and a new way of solar energy utilization generated.

本项目以{太阳能利用}∩{二氧化碳资源化}∩{太阳能燃料}∩{太阳能STEP化学过程}四个主要热点概念的交结为研究背景，提出太阳能热/电耦合调控CO2/H2O合成烃类物质的理论与过程研究，即基于太阳能STEP化学过程，以CO2/H2O为媒介，实现太阳能向含能分子烃类物质的转化与储存。主要研究内容是以太阳能为能源，基于太阳能光-热-电转换效率分布差异和分子光-热-电化学反应特性各异性不同，协同耦合调控太阳能光-热-电利用效率和分子光-热-电化学反应特性，高效、定向地进行特定的CO2/H2O化学转化生烃反应；核心是CO2/H2O还原重整生烃的STEP过程；目标是大幅提高太阳能利用效率、太阳能化学反应效率和选择性，高效地将太阳能转化或储存为化学能。系统太阳能利用总效率高于60%，CO2/H2O-烃转换效率高于30%，构成完美可持续的太阳能-CO2/H2O-烃系统，为太阳能资源化利用提供新途径。

温室气体二氧化碳的大量排放间接导致冰川融化、海平面上升，已严重威胁着人类的生产、生活乃至全球政治格局的稳定。如何解决环境与气候问题，同时有效实现二氧化碳的减排及其高值化利用已成为全球科技界亟待解决的重大战略课题。本项目创新性地提出太阳能驱动二氧化碳/水STEP过程合成烃的新途径，协同调控太阳能光-热-电耦合利用效率以及分子光-热-电化学反应特性，深入理解了太阳能驱动过程中二氧化碳/水的定向转化作用机理，掌握了二氧化碳/水在熔盐体系中的电化学转化历程，揭示了二氧化碳/水转化制烃类的反应模式，系统研究了STEP 过程二氧化碳/水生烃反应的电解质、电极、温度、选择性、电解电位等控制因子，探索了太阳能驱动二氧化碳/水资源化利用的耦合调控机制，实现了CO2的无害化与高附加值资源化利用以及太阳能向化学能的转化与储存。. 本项目计算并研究了二氧化碳/水转化生烃反应的微观反应模式及历程、平衡常数和理论电解电势，明确分析了在热场、电场或其他外场作用下二氧化碳/水电化学定向转化制取烃类的可能性。对二氧化碳/水高温熔盐转化制取烃类燃料气电化学单元（本项目的核心问题）进行了系统性研究，测试了电化学单元的循环伏安特性曲线、极化曲线、恒电压（电流）工作曲线；借助气相色谱仪（GC）、红外光谱仪（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）等仪器考察了电解参数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：在Li0.85Na0.61K0.54-0.15KOH电解质体系中，电流密度为12.5mA/cm2，镍丝（20cm2）、铁丝（20cm2）分别为阳极和阴极且反应温度为600℃的条件下，气体产物中甲烷含量高达63.34%，电流效率达到92.88%。本项目通过优化电解质组成、调控关键控制因子，成功利用太阳能驱动电解高温混合熔盐实现二氧化碳/水到富烃燃料气的高效定向转化，对优化能源结构、保障能源安全，促进未来全球实现绿色低碳和可持续发展等具有多重意义。