[发明专利]光合成反应装置、膜电极的制作方法

说明书

本申请公开了一种光合成反应装置、膜电极的制作方法，所述装置包括：微通道反应区域载体，设置有串联联通或并联联通的第一沟道；第一沟道的两端分别设置有第一反应介质进口和第一反应介质出口；膜电极，包括离子交换膜、阳极电极材料、阴极电极材料，阳极电极和材料阴极电极材料分别热压于离子交换膜的两侧；阳极基板，阳极基板的第一面上设置有容置槽，微通道反应区域载体容置于容置槽内时，微通道反应区域载体设置有第一沟道的一侧在第一面显露；阴极基板，阴极基板的第二面设置有与微通道反应区域载体上第一沟道匹配的第二沟道；将膜电极夹设于阳极基板和阴极基板之间，阳极电极材料与第一沟道贴置，阴极电极材料与第二沟道贴置。

技术领域

本发明涉及人工光合技术，尤其涉及一种可携带的、基于微通道技术的人工光合成反应装置，用于地外微重力环境下模拟地外人工光合作用。

背景技术

随着人类探索疆域的拓展，重返月球、载人火星等极具挑战性的航天任务逐步提上日程。在未来载人深空探索活动中，生物体生存过程将面临着基本的物质与能量需求，地外生存是人类实现地外移民、长期居住的基本要求。从地球上携带资源来开展载人地外探索，任务成本代价极高，技术上也难以实现。因而，大力发展原位储能技术，对天体资源加以有效利用并对携带的物质进行循环利用，才能大大降低从地球携带的物资需求，使载人深空探索任务具备可行性。人工光合成通过光电催化反应可控的将人类呼吸产生的二氧化碳或者地外行星大气环境中的二氧化碳和水资源转化为氧气和含碳燃料，实现密闭空间的废弃资源循环利用，降低载人空间站、载人深空飞船的物资供应需求，实现人类在其它行星的长期生存目标。该技术可有效支撑未来可持续的载人航天任务，是太空探索的核心能力。因此，通过地面实验和空间实验分阶段、分步骤研究、开发和验证地外人工光合成技术，将有力支撑载人航天后续发展。

目前，地面重力环境下进行人工光合作用，实现二氧化碳还原为氧气和碳氢化合物研究所采用的装置普遍为大尺度容器。然而，在微重力环境下，大尺度容器中多相反应体系中气泡演化与气泡、电解质和电极表面相互接触的三相区界面相互作用机理对材料稳定性和化学反应过程控制、系统的有效构建和如何提高转换效率等产生重要影响。过溶气体在电极表面附近聚集形成的溶解气体分子的过饱和层，使得气体在过饱和层的成核过程中脱离电极表面并向上移动将电解质包裹起来，从而在局部引发物质的单相自由对流(微对流)行为，气液无法有效分离，导致反应效率急剧下降；另一方面，气泡引起的界面电阻(欧姆降)增加，将影响电极的表面覆盖，使得传质过程变得更加困难。再者，人工光合成反应涉及气相、液相和固相三相反应，地外空间中大尺度容器不易携带、操控、密封和储存。

发明内容

有鉴于此，本申请的一个方式是提供一种光合成反应装置、膜电极的制作方法。

根据本申请的第一方面，提供一种光合成反应装置，包括：

微通道反应区域载体，设置有串联联通或并联联通的第一沟道；所述第一沟道的两端分别设置有第一反应介质进口和第一反应介质出口；

膜电极，包括离子交换膜、阳极电极材料、阴极电极材料，所述阳极电极材料和所述阴极电极材料分别热压于所述离子交换膜的两侧；

阳极基板，所述阳极基板的第一面上设置有容置槽，所述微通道反应区域载体容置于所述容置槽内时，所述微通道反应区域载体设置有第一沟道的一侧在所述第一面显露；

阴极基板，所述阴极基板的第二面设置有与所述微通道反应区域载体上第一沟道匹配的第二沟道；

所述阳极基板和所述阴极基板以所述第一面和第二面贴合的方式将所述膜电极夹设于所述阳极基板和所述阴极基板之间，所述阳极电极材料与所述第一沟道贴置，所述阴极电极材料与所述第二沟道贴置。

作为一种实现方式，所述第一沟道所形成的反应面积为(10-50mm)×(10-50mm)，所述第一沟道的深度和宽度尺寸分别为(100-500)μm×(100-500)μm；