[发明专利]电场诱导使水和CO2转化成有机聚合物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学及人工光合作用领域，具体来说涉及一种电场诱导使水和CO₂转化成有机聚合物的方法。

背景技术

随着社会发展，人类对能源的需求量不断增大，石油产品和煤炭燃料的消耗逐年增大。石油、天然气和煤炭的大量燃烧，导致大气中CO₂的浓度逐年升高。CO₂浓度增加导致地球温室效应，每100年，最高温度上升0.82℃，最低气温平均上升1.79℃，平均气温上升0.79℃。地球气化变暖，导致南北极冰山融化，海水水位上升，引发飓风、强暴雨和海啸等自然灾害，增大霍乱，痢疾等细菌疾病的发生。地球温室效应已经严重威胁到人类的生存和发展，如何减少CO₂排放，降低大气中的CO₂浓度成为科学研究的热点。

大量栽培树木，扩大森林面积是降低大气中CO₂浓度的有效方法。但是，受陆地面积和气候限制(如南北极洲和沙漠不宜栽种)，森林面积终归有限，仅仅通过栽培树木难以达到消除地球温室效应的目的。通过人工转化反应来降低CO₂排放，成为降低大气中CO₂浓度的补充手段之一。由于具有降低大气中二氧化碳浓度及为人类活动提供燃料和食物的巨大潜力，人工光合作用已经成为研究的热点。

F.Kurayama等2004年进行光催化CO₂还原的实验，获得浓度为1.5-2.0mmol/L的HCOOH。O.Ozcan等2007年进行光催化水分解及CO₂还原的实验获得12-40mmol/(g.catalyst)的CH₃OH。K Iizuka,等2011年进行光催化水分解及CO₂还原的实验，获得10.0mmol/h H₂,4.3mmol/h CO和0.3mmol/h HCOOH。W.Lee等2013年进行光催化水分解及CO₂还原的实验，获得124nmol/h H₂和522nmol/h CH₃OH。虽然这些人工光合作用成功获得H₂,CO,HCOOH和CH₃OH等能源物质，它们的生产效率还很低，而且，它们没有能够合成结构复杂的碳水化合物和有机聚合物。

为提高人工光合作用效率及获得复杂的有机化合物，本发明创造一种光伏人工光合作用方法，将太阳能发电装置与具有特殊结构的电解池结合，形成光伏反应器；通过电解水和电场诱导的方法获得氢自由基，并使之与CO₂水合物反应，生成有机化合物。光伏人工光合作用避免植物光合作用的一系列复杂的酶催化反应，又能够像植物一样，能利用太阳光将CO₂和水转化为有机化合物，具有巨大的发展潜力。该人工合成方法已经取得阶段性成果，获得10.2g草酸和0.76g有机聚合物，经过NMR、MS和FTIR分析,该有机聚合物含有草酸基，乙二醇基和2-α-羟基乙酸基,是一种直连高分子聚合物。

光伏人工光合作用的技术核心是氢自由基与CO₂反应，生成有机化合物。氢自由基的数量的多少和产生速率的快慢，直接影响到产物的数量及生产速率。我们小组公开了一种以电解制备氢自由基为基础技术的人工光合作用(G.Nong,et al.Artificial photosynthesis of oxalate and oxalate-based polymer by a photovoltaic reactor.Sci.Rep.2014,4,3572；DOI:10.1038/srep03572.)。由于电解水制备氢自由基还存在电能消耗较大、容易结合成氢分子及阴极表面的氢自由基难以同底物(如CO₂)发生接触反应等不足，以电解水制备氢自由基为基础技术的光伏人工光合作用的效率较低，总电流效率仅为23.58％，电能消耗效率为234.8g/kwh。为了提高人工光合作用的生产效率和速率，我们发明一种电场诱导制备氢自由基为基础技术的人工光合作用，提高水和CO₂转化成有机聚合物的电能消耗效率及产物的生成速率。

发明内容

本发明的目的是针对光伏人工光合作用的特点及上述制备氢自由基存在的问题，提供一种电场诱导使水和二氧化碳转化成有机聚合物的方法，该方法能显著提高能氢自由基的生产效率和速率，产生更多数量的氢自由基，大幅提高光伏人工光合作用的效率，促进合成结构复杂的碳水化合物和有机聚合物。本发明的技术方案为：