[發明專利]用于產生氫和合成氣的方法

在審

• 申請號: 201280047338.1
• 申請日: 2012-09-03
• 公開（公告）號: CN104169216A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 薩丹納·蘇雷什·拉亞盧;塔潘·查克拉巴爾蒂;米納爾·維韋克·喬希;普里蒂·阿肖克·曼格拉爾卡;尼廷·庫馬爾·拉巴塞特瓦爾;雷努·馬亨德拉·辛格·亞達夫;昌丹·普拉布;薩蒂什·拉姆錢德拉·瓦特
• 申請（專利權）人: 科學與工業研究會
• 主分類號: C01B31/18
• 分類號: C01B31/18;C01B3/06
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 顧晉偉;劉媛

技術領域

本發明涉及用于基于仿生碳酸化和光催化產生氫和合成氣的方法。本發明特別地涉及用于通過將仿生碳酸化與光催化相結合產生太陽能氫的新開創性方法。更特別地，具有在用于固定源和移動源的燃料電池以及其作為化學品和燃料用于內燃機和其他相關應用中有前景應用的太陽能氫的該方法可證明是對需求碳中性氫產生的氫經濟所需的革命性技術進步。本發明還涉及合成氣、甲醛的合成。

背景技術

隨著工業革命拉開序幕，低成本化石燃料(包括油和煤)已經施用于先進技術和現代生活的新紀元。全球范圍的快速工業化已經造成比以前消耗更多的化石燃料。對這些日益枯竭的資源的需求驅使能源價格到了難以想象的水平，在該過程中，釋放了數以十億噸計的CO₂。能源和氣候的雙重危機威脅著我們的生活方式以及國家安全。應對該挑戰是我們時代最緊急的需求之一。因此，全球能源消耗的增長、現有不可再生能源的枯竭以及其因多種有害氣體排放到大氣中而對氣候變化的威脅已經強調需要清潔、可再生和可持續的能源以及降低GHG。關于清潔燃料，氫被認為是對清潔、可再生和安全能源系統的潛在長期解決方案。利用太陽能并將其有效地轉化成化學能量載體如氫是一個有重大意義的研究領域。基本上，可借助于太陽能通過兩種途徑來產生氫：光-電化學方法和光催化方法。重點是給出與在可見范圍中光催化有關的研究并且最終目的是使用太陽能，因為電磁譜的主要部分由可見光主導，而UV光貢獻整個光譜的僅4％。因此，全世界進行大量的努力以開發在可見范圍中有效光催化水裂解反應的光催化劑。作為這個的可替換方法，已經開發了基于仿生碳酸化和光催化的開創性生物光催化方法。

在GHG當中，CO₂憑借其產生的量子是最受關注的。目前，現有的廣泛技術是用于分離并捕獲CO₂。其中，用胺或基于胺的吸附劑吸附/吸收是最常用的CO₂捕獲/除去技術。但是，其涉及相當多的固有問題，特別是當用于大的氣流時。這些問題中的一些是大投資成本和高能量消耗，另外常用的吸附劑不是非常穩定，會形成降解產物。進行了包括海洋封存、地質封存和陸地封存的碳封存的廣泛選擇。在本發明中，開發了利用太陽能并將二氧化碳(CO₂)排放物轉化成氫和基本燃料合成原料的新開創性方法。在化學工程學科和生物工程學科的交叉上的創新，開發了滿足世界燃料需求的生物光催化方法。每年排放超過280億噸CO₂，這是對可用于產生用于全球消耗的可再生和可持續燃料的原料的豐富供應。通常，本發明涉及通過將仿生碳酸化與光催化相結合來開發用于太陽能氫的新方法。該突破通過這樣的事實在碳封存的領域中打開了新局面：碳封存的終產物不僅是環境良性的，而且導致產生清潔能源。將CO₂轉化成氫和基本燃料合成原料(即甲酸)確保了在燃料消耗中的氣候穩定性和持續性。

仿生碳酸化表明使用生物結構封存CO₂以解決化學工程問題。在這一點上，努力模仿使用碳酸酐酶(CA)作為生物催化劑將人為CO₂固定成碳酸鈣的反應。在自然中，通過將CO₂轉化成天然存在的礦物質如白云石、方解石等來封存CO₂，但是這是經地質時期框架發生的。可以從水溶液中沉淀碳酸鈣，給出合適飽和度的鈣離子和碳酸根離子，因此待處理的問題是快速地由CO₂和H₂O產生碳酸根離子，該方法首先需要形成碳酸氫根離子。使用碳酸酐酶作為酶促進提高反應速率的該化學和工程問題，并且被稱為二氧化碳的仿生封存。施用CA以加速CO₂水合以形成碳酸根離子的速率，然后該碳酸根離子可轉化成有機化合物/礦物質碳酸鹽。

在本發明中，提出使用H⁺離子(質子)以將其轉化成氫，如以下反應所給出的：

氣態CO₂快速溶解于水中以產生松散水合的水溶液形式。該反應是快速的。

CO₂(g)＝CO₂(aq)

然后，CO₂水溶液可與水反應或在高pH下與氫氧根離子反應。

CO₂(aq)+H₂O＝H₂CO₃??(1a)

H₂CO₃＝H⁺+HCO₃^-?????(1b)