阳光液态能量存储-太阳能制氢-燃料电池循环利用方法与流程

1.本发明属于太阳能的利用技术领域，具体的为一种阳光液态能量存储-太阳能制氢-燃料电池循环利用方法。


背景技术：

2.目前，人类主要依赖于不可再生的化石燃料(如煤、石油、天然气等)为主要能源，不仅带来巨大的能源危机，而且造成严重的空气污染(如二氧化碳co2爆炸性增长造成温室效应等)。随着全球工业的飞速发展，能源消耗日益剧增，据统计2010年达到15太瓦(tw)，预计到2050年将达到27tw；国际气候变化专门委员会预测，到2100年全球大气中co2总量将达到590ppm，全球平均温度上升1.9℃，将造成灾难性的后果。因此，急需研发绿色、清洁、可再生的新型能源来代替传统的化石燃料，减轻全球的能源和环境压力。太阳能被广泛的认为是一种清洁、丰富、免费的可再生能源，每年向地球提供约120万tw的能量，如果十分之一的太阳能以0.3％的转化率被地球表面利用，则能满足2050年预期的能量需求。因此，如何将太阳能有效地转化成化学能是我们研究的重点，对于人类的可持续发展意义重大。
3.受自然界植物光合作用的启发，人们发现可以通过光催化co2还原等实验实现太阳能向液体能源(如甲醇、甲酸、甲醛、乙醇等)的转化，有效实现太阳能的存储，同时解决温室效应问题。但目前co2还原效率较低，选择性差，严重抑制了太阳能的转化率，是我们面临的巨大挑战。此外，甲醇等液体燃料的能量密度较低，不能实现能量的高效利用，不能满足新能源汽车等领域的能量需求，因此，如何实现阳光液态能量(甲醇等燃料)向高能量密度氢气的转化也是目前研究的难点。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种阳光液态能量存储-太阳能制氢-燃料电池循环利用方法，可实现“太阳能—液态燃料能源—氢能源—电能”的循环转化，同时实现太阳能的存储、清洁新能源的制备、燃料电池的利用串联反应。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种阳光液态能量存储-太阳能制氢-燃料电池循环利用方法，其特征在于：包括如下步骤：
7.(1)聚光太阳能，在反应器内通入二氧化碳和水，在第一催化剂的作用下生成有机液体，存储得到的有机液体；
8.(2)在聚光太阳能加热的条件下，利用第二催化剂将所述有机液体催化生成氢气和二氧化碳；利用生成的氢气驱动燃料电池，产生电能；
9.所述第一催化剂采用但不限于二氧化钛(tio2)、氮化碳材料(g-c3n4)和硫化镉(cds)中的至少一种。
10.进一步，采用辅助催化剂修饰方法提高所述第一催化剂的催化效率和选择性。
11.进一步，所述辅助催化剂修饰方法采用的修饰还原助催化剂包括贵金属和非贵金
属，所述贵金属包括但不限于pt、ag、pd、ru和au中的至少一种，所述非贵金属包括但不限于cu、ni和co中的至少一种或至少一种的氧化物。
12.进一步，所述辅助催化剂修饰方法采用的氧化助催化剂包括但不限于ruo2和mno
x
中的至少一种。
13.进一步，所述有机液体包括但不限于甲醇、甲酸或甲醛。
14.进一步，所述第二催化剂采用但不限于金属有机化合物和/或负载型单原子催化剂。
15.进一步，所述金属有机化合物包括但不限于有机铱、有机钌和有机铑中的至少一种。
16.进一步，所述负载型单原子催化剂包括但不限于氮化锆负载的单原子铂催化剂、氮化锆负载的单原子铱催化剂和氮化锆负载的单原子铑催化剂中的至少一种。
17.进一步，将所述步骤(2)生成的二氧化碳气体作为步骤(1)中的二氧化碳原料，实现二氧化碳的循环利用。
18.本发明的有益效果在于：
19.本发明的阳光液态能量存储-太阳能制氢-燃料电池循环利用方法，首先利用太阳能将二氧化碳和水转化为有机液体，不但将太阳能转换为阳光液态能量，而且有机液体便于存储和转运；在能量利用过程中，利用太阳能热催化有机液体分解生成氢气，实现太阳能到氢能的转化，利用氢气可直接驱动燃料电池产生电能，实现氢能至电能的转换，整个过程仅仅需要水和二氧化碳作为反应物，通过太阳能即可高效实现光热转换，便可以完成太阳能的转换、存储和利用，避免能量转换效率较低受卡诺循环限制的热机过程，是一种液态太阳能的高效转换方案。
附图说明
20.为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
21.图1为本发明阳光液态能量存储-太阳能制氢-燃料电池循环利用方法的原理图；
22.图2为利用第一催化剂催化还原二氧化碳的原理图；
23.图3为第二催化剂的结构示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
25.如图1所示，为本发明阳光液态能量存储-太阳能制氢-燃料电池循环利用方法的原理图。本实施例的阳光液态能量存储-太阳能制氢-燃料电池循环利用方法，其特征在于：包括如下步骤：
26.(1)聚光太阳能，在反应器内通入二氧化碳和水，在第一催化剂的作用下生成有机液体，存储得到的有机液体；
27.(2)在聚光太阳能加热的条件下，利用第二催化剂将所述有机液体催化生成氢气和二氧化碳；利用生成的氢气驱动燃料电池，产生电能；
28.所述第一催化剂采用但不限于二氧化钛(tio2)、氮化碳材料(g-c3n4)和硫化镉(cds)中的至少一种。具体的，本实施例采用辅助催化剂修饰方法提高所述第一催化剂的催化效率和选择性。辅助催化剂修饰方法采用的修饰还原助催化剂包括贵金属和非贵金属，所述贵金属包括但不限于pt、ag、pd、ru和au中的至少一种，所述非贵金属包括但不限于cu、ni和co中的至少一种或cu、ni和co中的至少一种的氧化物。本实施例的辅助催化剂修饰方法采用的氧化助催化剂包括但不限于ruo2和mno
x
中的至少一种。
29.有机/无机半导体材料被广泛认为是光催化co2还原的有效催化剂，且目前使用较多的光催化材料主要包括二氧化钛(tio2)、氮化碳材料(g-c3n4)、硫化镉(cds)等，但上述半导体材料在太阳光照射下产生的光生电子和空穴会迅速进行重组，载流子利用地非常低，是导致光催化co2还原效率低和选择性差的主要因素。本实施例采用辅助催化剂修饰的方法提高tio2、g-c3n4等半导体材料的催化效率和选择性，通过同时修饰还原助催化剂和氧化助催化剂，有效实现光生电子和空穴的有效分离和迁移，成功抑制光生电荷的复合，提高载流子的利用率。如在tio2、g-c3n4等半导体材料表面修饰pt、ag、pd、ru、au等贵金属，或修饰cu、ni、co及其氧化物等来促进光生电子的快速迁移和利用，实现太阳光照射下co2还原的高效进行；同时在tio2、g-c3n4等半导体材料表面修饰ruo2和mno
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等作为光生空穴的助催化剂，有效实现空穴上h2o
→
o2半反应的顺利进行，进而达到光催化co2还原的高效性和高选择性。最终通过光催化还原co2实现将太阳能向液体燃料的转化，达到了阳光液态能量存储的目的。
30.进一步，所述有机液体包括但不限于甲醇、甲酸或甲醛。储存的阳光液态能量(甲醇、甲酸、甲醛等)可以进一步用于制备能量密度高的氢能源，生成氢气和co2，其中生成的co2再次进行光催化还原转化成液态化学能。第二催化剂采用但不限于金属有机化合物和/或负载型单原子催化剂。金属有机化合物包括但不限于有机铱、有机钌和有机铑中的至少一种。负载型单原子催化剂包括但不限于氮化锆负载的单原子铂催化剂、氮化锆负载的单原子铱催化剂和氮化锆负载的单原子铑催化剂中的至少一种。
31.甲醇、甲酸及甲醛可以用于存储氢原子，并在第二催化剂的作用下，生成氢气和二氧化碳。反应方程式如下：
32.反应1：ch3oh h2o
→
3h2 co233.反应2：hcho h2o
→
2h2 co234.反应3：hcooh
→
h2 co235.反应1中，可以使用有机ir、ru、rh等，或氮化锆负载的单原子pt、ir、rh等催化剂来催化完成；反应2中，可以使用有机ru或者氮化锆负载的单原子ru催化剂来实现；反应3中，可以使用有机ir和有机rh来催化完成。文中所述的有机ir、ru、rh主要是其金属配合物，并与含氮杂环配位的金属有机催化剂，如附图3所示。
36.优选的，还可将所述步骤(2)生成的二氧化碳气体作为步骤(1)中的二氧化碳原料，实现二氧化碳的循环利用。
37.上述阳光液态能量的化学能转化成氢能源过程中，催化剂具有较高的活性和选择性，因此产生的氢气可以直接用于氢氧燃料电池，实现化学能转变成电能，为新能源汽车的安全高效使用开辟新的路径。本发明通过构建一系列串联反应，最终实现了“太阳能—液态燃料能源—氢能源—电能”的循环转化。
38.下面结合具体实例对本实施例的具体实施方式做详细说明。
39.以钛酸丁酯为前驱体，采用水热法或高温煅烧法制备tio2材料，或以尿素、三聚氰胺、双氰胺等氮元素含量较高的有机分子为前驱体，在高温(400-550℃)聚合作用下制备g-c3n4材料。采用沉积法和浸渍法将pt、ag、pd、ru、au或cu、ni、co等金属纳米粒子或其氧化物修饰到tio2或g-c3n4材料表面作为还原助催化剂，然后进一步修饰ruo2和mno
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等氧化物作为氧化物助催化剂，成功制备“还原助催化剂/半导体材料/氧化助催化剂”类型光催化材料。室温条件下，该材料在太阳光照射下可将co2气体还原成甲醇、甲酸、甲醛等液体燃料，实现太阳能向化学能的转化和阳光液态能量的存储。
40.将收集的阳光液态能量(甲醇、甲酸、甲醛)通入反应器，并加入适量的水，升高反应器的温度(80-200℃)，加入图3所示的有机金属催化剂(有机ir、有机ru、有机rh或氮化锆负载的单原子pt、ir、rh催化剂等)，在催化剂作用下可分别将甲醇、甲酸、甲醛等液体燃料分解为氢气和co2，成功制备能量密度高的氢能源。过程中产生的co2气体可循环使用，再次将co2转化成液体燃料。
41.将产生的氢气直接输入质子交换膜燃料电池(如氢氧燃料电池等)，实现氢能
→
电能的转化，产生的氢能或电能可直接用于新能源汽车领域。
42.以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。