[发明专利]太阳能燃料电池

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求先前于2010年5月17日提交的美国实用专利申请No.12/781,378的优先权，其基于各种目的整体引用本文中并作参考。

背景

技术领域

本发明涉及将水和含碳化合物转化为烃的方法，该方法通过在吸光成分上吸收阳光的过程，将水光电化学氧化，并将所述水氧化反应的产物通过催化剂与含碳化合物(例如CO₂)反应，得到烃化合物。

相关技术的讨论

对于利用太阳能辐射作为能量来源来驱动转化反应，从CO₂和水产生烃而言，光合作用是动力学上缓慢的过程。

公知的从CO和水产生烃的Fischer-Tropsch合成方法，即使在存在催化剂的情况下也需要高温和高压来制备烃。

已知若干种技术能够促进水氧化分解为氢气和氧气。在标准温度和压力下，水分解反应在热力学上是不利的。在标准水电解池中发生的一般反应是：

阳极(氧化)：2H₂O(l)→O₂(g)+4H+(aq)+4e-    Eo_ox=-1.23V

阴极(还原)：2H+(aq)+2e-→H₂(g)            Eo_red=0.00V

因此，在25°C，水电解池的标准电势为-1.23V。

在不用升高的温度和压力下利用阳光作为能量来源，以动力学上更迅速的方式从水和含碳化合物源产生烃的方法是广泛关注的。此外，还需要进行所述方法的装置。

发明内容

本发明涉及通过提供光采集、电荷分离和输送成分、质子传导膜和催化剂成分将含碳成分和水转化为烃成分的方法。在光采集、电荷分离和输送成分以及催化剂成分之间具有导电连接。所述光采集、电荷分离和输送成分可暴露于足够波长的辐射中，以产生分离的电子和空穴对，且水可与电子和空穴对接触，以产生氧气、质子和电子。排出氧气。电子通过导电连接从光采集、电荷分离和输送成分输送至催化剂成分，且质子跨过质子传导膜传导，从而接触催化剂成分。所述含碳成分与催化剂成分、质子和电子接触，以产生所需烃成分，然后将其取出。

本发明还教导了使用太阳辐射将水和含碳成分转化为烃成分的装置。该装置包括光采集、电荷分离和输送成分，其具有与水接触并暴露于辐射源的第一表面，以及与质子传导膜的第一表面接触的第二表面。质子传导膜具有与光吸收、电荷分离和输送成分的第二表面接触的第一表面，以及与催化剂成分的第一表面接触的第二表面。催化剂成分具有与质子传导膜的第二表面接触的第一表面，以及与含碳成分源接触的第二表面。光采集、电荷分离和输送成分与催化剂成分之间具有导电连接。

附图说明

本发明附有附图以有助于更好地理解本发明，其并入本说明书中并构成本说明书的一部分，例示了本发明的多种实施方式，并与下文的详述一起解释了本发明的原理。附图中：

图1是本发明装置的一般示意图。

发明详述

本发明涉及将含碳成分和水转化为烃成分的方法，其通过首先提供光采集、电荷分离和输送成分、质子传导膜和催化剂成分。还在光采集、电荷分离和输送成分和所述催化剂成分之间提供导电连接。所述光采集、电荷分离和输送成分暴露于足够波长的辐射中，以产生分离的电子和空穴对。

水与电子和空穴对接触，通过氧化产生氧气、质子和电子。从这一过程中排出氧气，同时通过导电连接从所述光采集、电荷分离和输送成分输送电子至催化剂成分，且质子跨过质子传导膜传导，从而接触催化剂成分。

在催化剂成分处，本发明的方法继续将含碳成分与催化剂成分、质子和电子接触以产生烃成分。然后将该新产生的烃成分从该过程中取出。

为了在所公开的方法中起作用，所述光采集、电荷分离和输送成分可以为基于半导体的组成物(formulation)，其带隙为至少1.23V，以驱动水氧化反应。在阳光照射下，所述成分产生所需的电子和空穴对。所述光采集、电荷分离和输送成分可为p-型半导体材料，其选自p-SiC、p-GaP、p-InP和p-GaAs，或在其他实施方式中其可为n-型半导体材料，其选自n-TiO2、n-WO3、n-SiC、n-SrTiO3、n-CdS、n-GaP和n-GaAs。