一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统和方法，光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统包括透明电解池，透明电解池内设有阳离子交换膜，阳离子交换膜将透明电解池分隔形成阳极室和阴极室；阳极室内设有光阳极和阳极电解液，阴极室内设有光阴极和阴极电解液；阳极液为含有机固废和电解质的水溶液，阴极液为含无极碳源的水溶液。本发明专利技术提供的光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统及方法，将光电催化有机固废氧化与二氧化碳还原过程耦合，提高光电催化二氧化碳还原的速率。的速率。的速率。

【技术实现步骤摘要】
一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统及方法


[0001]本专利技术属于有机固废及二氧化碳的资源化利用
，具体涉及一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统及方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着工业化进程的不断发展，全球人口持续增加，化石能源的大量消耗，二氧化碳气体的排放量不断增加。而大气中不断提高的二氧化碳浓度被认为是导致气候变暖的主要原因。因此，实现碳中和目标已经成为了目前的焦点问题。实现碳中和目标迫切需要开发高效经济的负碳技术。
[0003]光电催化二氧化碳还原系统通过仿效自然界树叶的光合作用过程，将太阳能、二氧化碳和水转化为高附加值的燃料和化学品，是一种极具潜力的负碳技术。但目前为止，该过程依旧受限于较低的能量效率。诸多研究表明阳极水氧化过程具有较缓慢的反应动力学特性和较高过电势，成为限制目前该系统效率的一大瓶颈问题。另外，该过程中产生的副产物氧气附加值较低，致使系统经济性较低，应用困难。而大部分有机固废具有较低的氧化能垒，因此从提高系统能量效率的角度，以将有机固废氧化与二氧化碳还原耦合具有更大优势。
[0004]另外，有机固废高值化利用技术目前依然是极具挑战性的一个难题。传统的热催化转化法需要高温等苛刻条件、能耗高且产物选择性较差。而填埋，机械回收以及生物降解等策略面临着包括易造成环境污染，资源利用不充分，降解速度慢在内的诸多问题。而光(电)催化转化技术能实现常温常压条件下废弃物的高选择性转化，从而有效地降低了转化过程中的能量消耗。另外，通过调控光照和电流条件或者改变电解质溶液，能调节光电催化合成反应速率，同时可以提高对高价值目标反应产物的选择性。因此，人工光合作用技术也可以为有机固废高值化利用提供新的平台与机遇。
[0005]目前，将还未见到光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统和方法的报导。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统及方法，将光电催化有机固废氧化与二氧化碳还原过程耦合，提高光电催化二氧化碳还原的速率。
[0007]为解决上述技术问题，一方面，本专利技术提供一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统，包括透明电解池，透明电解池内设有阳离子交换膜，阳离子交换膜将透明电解池分隔形成阳极室和阴极室；阳极室内设有光阳极和阳极电解液，阴极室内设有光阴极和阴极电解液；所述阳极液为含有机固废和电解质的水溶液，阴极液为含无极碳源的水溶液。
[0008]作为本专利技术实施例的进一步改进，所述光阳极的带隙与光阴极的带隙不相同。
[0009]作为本专利技术实施例的进一步改进，所述光阳极采用N型半导体。
[0010]作为本专利技术实施例的进一步改进，所述光阴极采用P型半导体。
[0011]作为本专利技术实施例的进一步改进，所述光阳极和光阴极上均设有催化剂。
[0012]作为本专利技术实施例的进一步改进，所述光阳极和光阴极上均设有纳米结构。
[0013]另一方面，本专利技术实施例还提供一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原方法，采用上述光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统；所述方法包括以下步骤：
[0014]步骤10)准备步骤：将光阳极和光阴极通过铜导线与外部电源连接形成外电路；调节光源位置，使得光线先通过带隙较大的一极，再通过带隙较小的一级；向阳极室中通入N2后密封，向阴极室中通入CO2气体后密封；
[0015]步骤20)反应运行：光阳极和光阴极在光线照射下均产生电子和空穴，光阳极产生的空穴氧化有机固废生成酸类有机物和氢质子H
+
；氢质子H
+
在电场及浓差作用下通过阳离子交换膜迁移到光阴极表面，并与光阴极产生的电子还原二氧化碳；光阳极产生的电子与光阴极产生的空穴在外电路复合。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益效果：本专利技术实施例提供的光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统及方法，以有机固废氧化反应替代传统人工光合作用系统中的水氧化反应，并与二氧化碳还原反应耦合，构建了新型人工光合作用系统。由于有机固废氧化能垒更低，使得相同条件下，二氧化碳还原速率提高，效率大幅提高。本专利技术实施例的光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统及方法，在温和条件下，将有机固废定向氧化为对苯二甲酸、甲酸等高价值化学品，与传统水氧化产生的氧气产物相比具有更高的附加值，实现了有机固废的高值化利用。本专利技术实施例的光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统及方法，光阳极与光阴极形成叠层结构，充分利用了太阳光谱。
附图说明
[0017]图1为本专利技术实施例的光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统的结构示意图；
[0018]图2为本专利技术具体实施例中有机固废氧化与二氧化碳还原耦合后的电压
‑
电流曲线图；
[0019]图3为本专利技术具体实例中分别加入葡萄糖，甘油、PET塑料与未加入时的电压
‑
电流曲线对比图。
[0020]图中有：阳极室1、阴极室2、光阳极11、光阴极21、阳离子交换膜3。
具体实施方式
[0021]下面对本专利技术的技术方案进行详细的说明。
[0022]本专利技术实施例提供一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统，如图1所示，包括透明电解池。透明电解池内设有阳离子交换膜3，阳离子交换膜3将透明电解池分隔形成阳极室1和阴极室2。阳极室1内设有光阳极11和阳极电解液，阴极室2内设有光阴极21和阴极电解液。阳极液为含有机固废和电解质的水溶液，阴极液为含无极碳源的水溶液。其中，阳极液中的有机固废包括生物质原料和塑料等。透明电解池池体采用高透光石英玻璃制成。
[0023]上述实施例的光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统工作时，在光照作用
下，阳极室1内发生有机固废氧化反应，阴极室2内发生二氧化碳还原反应。光阳极11和光阴极21吸收太阳光后，受激发产生电子空穴对。产生的空穴在阳极室1用于氧化有机废弃物分子并产生氢质子，产生的氢质子在电场及浓差作用下迁移到光阴极表面，并与光阴极产生的电子及二氧化碳通过还原反应生成氢气以及其他含碳燃料(一氧化碳，甲烷等)，从而实现有机固废氧化反应与二氧化碳还原反应耦合。
[0024]本实施例的光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统，以有机固废氧化反应替代传统人工光合作用系统中的水氧化反应，并与二氧化碳还原反应耦合，构建了新型人工光合作用系统。由于有机固废氧化能垒更低，使得相同条件下，二氧化碳还原速率提高，效率大幅提高。本专利技术实施例的光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统，在温和条件下，将有机固废定向氧化为对苯二甲酸、甲酸等高价值化学品，与传统水氧化产生的氧气产物相比具有更高的附加值，实现了有机固废的高值化利用。
[0025]优选的，光阳极11的带隙与光阴极21的带隙不相同，光源放置在带隙较大的一极的一侧，使得光线先通过带隙较大的一极，再通过带隙较小的一极。带隙较大一极置于前方可以吸收太阳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统，其特征在于，包括透明电解池，透明电解池内设有阳离子交换膜(3)，阳离子交换膜(3)将透明电解池分隔形成阳极室(1)和阴极室(2)；阳极室(1)内设有光阳极(11)和阳极电解液，阴极室(2)内设有光阴极(21)和阴极电解液；所述阳极液为含有机固废和电解质的水溶液，阴极液为含无极碳源的水溶液。2.根据权利要求1所述的光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统，其特征在于，所述光阳极(11)的带隙与光阴极(21)的带隙不相同。3.根据权利要求1所述的光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统，其特征在于，所述光阳极(11)采用N型半导体。4.根据权利要求1所述的光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统，其特征在于，所述光阴极(21)采用P型半导体。5.根据权利要求1所述的光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统，其特征在于，所述光阳极(11)和光阴极(21)上均设有催化剂。6.根据权利要求1所述的光电催化有机...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘宇洋，储升，张会岩，张博文，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：