[发明专利]人工光合作用

说明书

发明背景技术

1.发明领域

本发明一般性地涉及一种用于在含有碳和氢的有机化合物中储藏太阳能方法，并且特别地涉及一种用一种形式的太阳能来活化水的方法。

2.相关技术的描述

光合作用(photosynthesis)是植物和某些微生物体使用太阳能用于将二氧化碳和水转化成有机分子作为储藏能量的方法。此类有机化合物的实例包括糖、淀粉、纤维素、三酸甘油酯、树脂等等。

人类几乎100％依靠光合作用为它的能量需求。该以食物的形式为人类身体需求的能量是光合作用的直接产物(全部植物来源的食物)，或者是光合作用的间接产物(肉，牛奶或其他动物来源的食物)。用于取暖和推动机器的能量也几乎总是源于光合作用，其为生物质或者化石燃料的形式。最显著地例外是太阳能、风能和核能，这些不依赖光合作用。

人类依靠自然光合作用来供应能量需求具有严重的缺陷。化石燃料的使用向空气中释放了二氧化碳，这被认为导致了气候变化。生物质的使用可以是碳中性的，但植物在将太阳能转化成有机分子是相对低效率的。这主要是由于叶绿素(在几乎所有植物中负责吸收太阳能的分子)仅仅能够吸收太阳光可见光光谱部分的一小部分，对光谱中的其他部分例如红外和紫外辐射一点也不吸收。根据统计，植物仅能使用它们接收到的太阳能的约3％。

自然光合作用的另外一个缺陷是就适宜生长的温度和气候而言植物需要特定的条件。因此，光合作用在温度低于约10℃时是缓慢的，并且在低于0℃时几乎不存在。类似的，在温度高于约30℃时，植物面临从土壤中吸收足够的水分以允许它们赶上通过的叶子蒸发的水分的挑战。在热气候期间许多植物减慢它们的光合作用以便保护它们自己不会干枯。

植物还需要供应足量的相当高品质的水。除了某些水生植物外，陆生植物通常耐盐不比它们耐干旱更好。外部过量供水也是有问题的，农作物可能会和在干旱中失去一样容易在洪水中失去。

最后，植物需要平衡供应用于它们健康的矿物元素和孢子元素(spore element)。这些营养需要通过土壤供应，在土壤中，植物生长，并且经常需要追加肥料。

总之，用于人类能量需求的植物的使用面临许多障碍和限制。

因此，存在对用于将太阳能存储在有机分子中的方法的需求。尤其是存在就温度要求而言比基于叶绿素的方法更加强大的方法的需求。此外存在对允许使用污染的水的方法的需求。

发明概述

本发明通过提供一种用于在包含碳和氢的有机化合物中储存太阳能的方法来解决这些问题，所述的方法包括以下步骤：

(i)提供水源和碳源；

(ii)在碳源存在下，使用太阳能的一种形式活化来自水源的水；

(iii)将碳源转化成包含碳和氢的有机化合物，所述的有机化合物具有比碳源较高的能量含量。

发明详述

碳源和氢反应形成具有比碳源自己较高的能量含量的含碳化合物的几种方法是已知的。

所述方法的实例是Sabatier反应：

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O (1)

所述Sabatier反应被研究，用于向火星的载人航天飞行供应能量的可能性。氢将供应自地球，将在微型化工装置中与火星的二氧化碳反应。

可逆的水轮换反应从二氧化碳和氢产生一氧化碳：

由双箭头可知，这个反应是可逆的，并且趋向于平衡。

Bosch反应：

CO₂+2H₂→C+2H₂O (3)

可被看做是两步反应，第一步是可逆水轮换反应，接着是一氧化碳和氢的反应。

如反应方程式清晰的表示，这些反应需要供应氢。

这些以及其他反应可以在使用水和太阳能代替氢下进行。因此，本发明涉及一种在包含碳和氢的有机化合物中存储太阳能的方法，所述方法包括以下步骤：

(i)提供水源和碳源；

(ii)在碳源存在下，使用太阳能的一种形式活化来自水源的水；

(iii)将碳源转化成包含碳和氢的有机化合物，所述的有机化合物具有比碳源高的能量含量。

本发明所述的方法很重要的方面是输入太阳能，其产生活化形式的水，在碳源存在下发生。这个特征就允许碳源和活化形式的水反应。