太阳能燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明涉及将水和含碳化合物，例如CO2，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反应，以产生所需的烃化合物。
【专利说明】太阳能燃料电池
[0001 ] 本申请是基于申请日为2011年4月29日，申请号为201180034801.4(PCT/US2011/034458)，发明名称为:“太阳能燃料电池”的专利申请的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]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N0.12/781,378的优先权，其基于各种目的整体引用本文中并作参考。
[0004]背景
技术领域
[0005]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。
[0006]相关技术的讨论
[0007]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。
[0008]公知的从⑶和水产生经的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。
[0009]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:
[0010]阳极(氧化):2H20(l)—02(g)+4H+(aq)+4e-Eoox=-1.23V
[0011]阴极(还原):2H+(aq)+2e-—H2(g)Eored = O-OOV
[0012]因此，在25°C，水电解池的标准电势为-1.23V。
[0013]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】
[0014]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经成分的方法。在光米集、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。
[0015]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。
[0016]1.使用太阳辐射将水和含碳成分转化为烃成分的装置，其包含:
[0017]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；
[0018]质子传导膜，其具有与光吸收、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；
[0019]催化剂成分，其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;和
[0020]所述光采集、电荷分离和输送成分和所述催化剂成分之间的导电连接。
[0021]2.项I的装置，其中所述光采集、电荷分离和输送成分包括基于半导体的组成物。
[0022]3.项I的装置，其中所述光采集、电荷分离和输送成分包括带隙为至少1.23V的材料。
[0023]4.项I的装置，其中所述光采集、电荷分离和输送成分包括P-型半导体材料，其选自p-SiC、p-GaP、p_InP和p-GaAs。
[0024]5.项I的装置，其中所述光采集、电荷分离和输送成分包括η-型半导体材料，其选自 n-T i02、n-W03、n_S i C、n-SrTi03、n-CdS、n_GaP和n-GaAs。
[0025]6.项I的装置，其中所述光米集、电荷分离和输送成分包括在阳光照射下产生电子和空穴对的有机材料。
[0026]7.项6的装置，其中所述有机材料包括带隙为至少1.23V的有机材料。
[0027]8.项I的装置，其中所述质子传导膜包括基于陶瓷的膜或基于聚合物的膜。
[0028]9.项I的装置，其中所述质子传导膜包括含Naf1n的膜或基于烃的膜。
[0029]10.项I的装置，其中所述催化剂成分包括含贵金属、碱金属或硫属元素化物的组成物。
[0030]11.项I的装置，其中所述催化剂成分包括至少一种选自以下的金属:Fe、Co、N1、〇11、211、1?11、1?11、？(1、厶区、1^、08、11'、？1:、厶11、？13、3、36和丁6。
[0031]12.项I的装置，其中所述催化剂成分包括氢化催化剂组成物、氢解催化剂组成物或还原催化剂组成物。
[0032]13.项I的装置，其中所述含碳成分包括选自一氧化碳和二氧化碳的至少一种。
[0033]14.项I的装置，其中电子和空穴对在所述光吸收、电荷分离和输送成分的第一表面产生，并接触水以产生氧气、质子和电子。
[0034]15.项14的装置，其中所述电子通过导电连接从所述光采集、电荷分离和输送成分输送至催化剂成分。
[0035]16.项14的装置，其中所述质子从所述光采集、电荷分离和输送成分跨过质子传导膜传导至催化剂成分。
[0036]17.项16的装置，其中在催化剂成分的第二表面，含碳成分与质子和电子接触以产生经成分。
[0037 ] 18.将含碳成分和水转化为经成分的方法，其包括:
[0038]将光采集、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；
[0039]将水与所述电子和空穴对接触，以产生氧气、质子和电子；
[0040]排出氧气；
[0041]通过导电连接从该光采集、电荷分离和输送成分输送电子至催化剂成分；
[0042]跨过质子传导膜传导质子，以接触催化剂成分；
[0043]将含碳成分与催化剂成分、质子和电子接触，以产生经成分;和
[0044]取出所述烃成分。
[0045]19.项18的方法，其中所述光采集、电荷分离和输送成分包括基于半导体的组成物。
[0046]20.项18的方法，其中所述光采集、电荷分离和输送成分包括带隙为至少1.23V的材料。
[0047]21.项18的方法，其中所述光采集、电荷分离和输送成分包括P-型半导体材料，其选自 p-SiC、p-GaP、p_InP和p-GaAs。
[0048]22.项18的方法，其中所述光采集、电荷分离和输送成分包括η-型半导体材料，其选自 n-T i02、n-W03、n_S i C、n-SrTi03、n-CdS、n_GaP 和 n-GaAs。
[0049]23.项18的方法，其中所述质子传导膜包括基于陶瓷的膜或基于聚合物的膜。
[0050]24.项18的方法，其中所述催化剂成分包括含贵金属、碱金属或硫属元素化物的组成物。
[0051 ] 25.项18的方法，其中所述催化剂成分包括氢化催化剂组成物、氢解催化剂组成物或还原催化剂组成物。
[0052]26.项18的方法，其中所述含碳成分包括选自一氧化碳和二氧化碳的至少一种。
[0053]27.项18的方法，其中所述烃成分包括选自醇、醛、烷烃、烯烃和炔烃的至少一种。
[0054]28.项18的方法，其中足够波长的辐射包括阳光。
【附图说明】
[0055]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:
[0056]图1是本发明装置的一般示意图。
[0057]发明详述
[0058]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。还在光米集、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。
[0059]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。
[0060]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。
[0061]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(formulat1n)，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η-型半导体材料，其选自n-T i02、n-W03、n_S i C、n-SrTi03、n-CdS、n_GaP和n-GaAs。
[0062]在阳光照射下产生电子和空穴对的有机材料同样适于在本方法中用作所述光采集、电荷分离和输送成分，更具体地，该有机材料应具有至少I.23V的带隙。
[0063]用于本方法中的质子传导膜可为基于陶瓷的膜或基于聚合物的膜，或在其他实施方式中，质子传导膜可为例如基于Naf 1n的或基于经的膜。
[0064]合适的催化剂成分包括含贵金属、碱金属或硫属元素化物(chalcogenide)催化剂组成物的组成物。例如，催化剂成分可包括至少一种选自以下的金属:Fe、Co、N1、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、Pt、Au、Pb、S、Se和Te。在本发明的方法的一些实施方式中，催化剂成分可选自氢化催化剂组成物、氢解催化剂组成物或还原催化剂组成物。
[0065]本方法中作为反应物添加的含碳成分可为选自一氧化碳和二氧化碳的至少一种。根据本方法的多种其他实施方式，含碳成分在一些情况中可包括含至少一个碳-氧键的化合物。
[0066]本方法产生的烃成分可包括醇、醛、烷烃、烯烃和炔烃。所产生烃成分的精确组成将取决于反应条件、催化剂成分和初始的含碳成分。本领域技术人员能够选择上述参数，以产生他们需要的烃成分。
[0067]在理想状况下，在本文公开的方法中，所述足够波长的辐射将为阳光。在本方法的其他实施方式中可使用不同辐射源，例如激光或聚焦的阳光。优选的是不降低本文公开的方法的总能量效率的辐射源。
[0068]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。本发明的装置的一个实施方式可包括光采集、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。质子传导膜可具有与光吸收、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。催化剂成分可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。本发明的装置还可在光采集、电荷分离和输送成分与催化剂成分之间具有导电连接。
[0069]在本文公开的装置中，通过吸收足够波长的辐射产生电子和空穴对，从而在所述光吸收、电荷分离和输送成分的第一表面将水氧化，以产生氧气、质子和电子。
[0070]在本文公开的装置的实施方式中，在所述光采集、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，以输送电子。
[0071]此外，所述装置使质子从所述光采集、电荷分离和输送成分跨过质子传导膜输送至催化剂成分。在催化剂成分的第二表面，含碳成分与质子和电子接触，以产生经成分。
[0072]图1是本发明装置的一个实施方案的一般示意图，其中光吸收、电荷分离和输送成分I在一侧与质子传导膜2接触。质子传导膜2将质子从成分I输送至催化剂成分3。在成分I和催化剂3之间还具有导电连接4，为电子从成分I移动至催化剂3提供了路径。图1的实施方式还分别设有水5和含碳成分6的入口，在该实例中两者位于所述装置底部相对侧。图示的实施方式的特征还在于在装置顶部分别设有本文所公开的方法的产物一一氧气7和烃成分8的出口。
[0073]在本发明的装置的实施方式中，所述光吸收、电荷分离和输送成分I可为半导体材料，其带隙为至少约1.23V，这样高的带隙足以在其表面驱动水氧化反应。
[0074]根据(但不限于)我们的理论，在吸收阳光的光子后，成分I产生了电子(e—)和空穴(h+)对，然后其可被用于氧化水以产生O2气体、质子(H+)和电子。认为基础反应如下所示:
[0075]2H20+4h++4e ~>02(g)+4H++4e
[0076]成分I可为例如基于半导体的组成物，其可采集光子并产生所需的e—/h+对。在本文公开的装置的其他实施方式中，成分I可结合(incorporate)有机染料分子或其他化合物(具有所需的结合(conjugat1n)水平)，以提供足够能量的带隙以驱动反应。
[0077]质子传导膜2可以有多种适当的结构构造，所述构造与成分I和催化剂3两者都有关系，只要膜2能够将水氧化所产生的质子从成分I传导至催化剂2。
[0078]此外，关于本发明的理论(但不限于此)，在催化剂3上，含碳成分与质子和电子反应以产生所需的烃成分。认为基础反应如下所示:
[0079]X C02+y(4H++4e—)—CxHy，CxHyO和/SCxHyOH
[0080]含碳成分可包含碳和氧两者，并且可为例如一氧化碳和/或二氧化碳。本方法产生的烃成分可包括醇、醛、烷烃、烯烃和炔烃。烃成分的最终结构将受到反应条件、催化剂成分和初始含碳成分的影响。
[0081 ]本文所引用的所有出版物、论文、文章、专利、专利出版物以及其他参考文献，均出于所有目的全文引入本文之中。
[0082]尽管前述的描述涉及本发明的优选实施方式，但应注意其他变化和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，且其可在不偏离本发明的精神或范围的情况下做出。
[0083]本发明多种实施方式的详述，仅出于例示和描述的目的。其并非意在将本发明严格地穷尽或限制于所述的实施方式中。许多变化和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。这些实施方式的选择和描述是为了最好地解释本发明的原则及其实际应用，从而使本领域技术人员能够理解本发明的多种实施方式的教导，包括进行多种修改以适用于特定用途的实施方式。本发明的范围应由权利要求书及其等价物来限定。
【主权项】
1.使用太阳辐射将水和含碳成分转化为烃成分的装置，其包含: 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，其具有与光采集、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，其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;和 所述光采集、电荷分离和输送成分和所述催化剂成分之间的导电连接。2.权利要求1的装置，其中所述光采集、电荷分离和输送成分包括基于半导体的组成物。3.权利要求1的装置，其中所述光采集、电荷分离和输送成分包括带隙为至少1.23V的材料。4.权利要求1的装置，其中所述光采集、电荷分离和输送成分包括在阳光照射下产生电子和空穴对的有机材料。5.权利要求4的装置，其中所述有机材料包括带隙为至少1.23V的有机材料。6.权利要求1的装置，其中所述质子传导膜包括基于陶瓷的膜或基于聚合物的膜。7.权利要求1的装置，其中所述质子传导膜包括含Naf1n的膜或基于烃的膜。8.权利要求1的装置，其中所述催化剂成分包括组成物，该组成物选自含贵金属的组成物、含碱金属的组成物和含硫属元素化物的组成物。9.权利要求1的装置，其中所述催化剂成分包括选自以下的至少一种:Fe、Co、N1、Cu、2]1、1?11、1?11、？(1、厶区、1^、08、11'、？1:、厶11、？13、3、36和丁6。10.权利要求1的装置，其中所述催化剂成分包括氢化催化剂组成物、氢解催化剂组成物或还原催化剂组成物。11.权利要求1的装置，其中所述含碳成分包括选自一氧化碳和二氧化碳的至少一种。12.权利要求1的装置，其中电子和空穴对在所述光采集、电荷分离和输送成分的第一表面产生，并接触水以产生氧气、质子和电子。13.权利要求12的装置，其中所述电子通过导电连接从所述光采集、电荷分离和输送成分输送至催化剂成分。14.权利要求12的装置，其中所述质子从所述光采集、电荷分离和输送成分跨过质子传导膜传导至催化剂成分。15.权利要求14的装置，其中在催化剂成分的第二表面，含碳成分与质子和电子接触以产生经成分。16.将含碳成分和水转化为烃成分、醇和/或醛的方法，其包括: 将光采集、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； 将水与所述电子和空穴对接触，以产生氧气、质子和电子； 排出氧气； 通过导电连接从该光采集、电荷分离和输送成分输送电子至催化剂成分； 跨过质子传导膜传导质子，以接触催化剂成分； 将含碳成分与催化剂成分、质子和电子接触，以产生包含经成分、醇和/或醛的产物;和 取出所述产物。17.权利要求16的方法，其中所述光采集、电荷分离和输送成分包括基于半导体的组成物。18.权利要求16的方法，其中所述光采集、电荷分离和输送成分包括带隙为至少1.23V的材料。19.权利要求16的方法，其中所述质子传导膜包括基于陶瓷的膜或基于聚合物的膜。20.权利要求16的方法，其中所述催化剂成分包括含贵金属、碱金属或硫属元素化物的组成物。21.权利要求16的方法，其中所述催化剂成分包括氢化催化剂组成物、氢解催化剂组成物或还原催化剂组成物。22.权利要求16的方法，其中所述含碳成分包括选自一氧化碳和二氧化碳的至少一种。23.权利要求16的方法，其中所述产物包括选自醇、醛、烷烃、烯烃和炔烃的至少一种。24.权利要求16的方法，其中足够波长的辐射包括阳光。
【文档编号】B01J19/12GK105925998SQ201610391465
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2011年4月29日
【发明人】T.赫
【申请人】本田技研工业株式会社