[發(fā)明專利]光合成反應(yīng)裝置、膜電極的制作方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010764121.9
• 申請日: 2020-08-01
• 公開（公告）號: CN111926344A
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馮德強;姚偉;張策;姜文君;李龍;宋堅
• 申請（專利權(quán)）人: 中國空間技術(shù)研究院
• 主分類號: C25B3/04
• 分類號: C25B3/04;C25B9/10;C25B11/08;C25B11/06;C25B11/03;C23C14/24;C23C14/18;C23C14/16;C25D11/26;C25B11/10;C25B11/12
• 代理公司: 北京善任知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11650
• 代理人: 張振偉

本申請公開了一種光合成反應(yīng)裝置、膜電極的制作方法，所述裝置包括：微通道反應(yīng)區(qū)域載體，設(shè)置有串聯(lián)聯(lián)通或并聯(lián)聯(lián)通的第一溝道；第一溝道的兩端分別設(shè)置有第一反應(yīng)介質(zhì)進口和第一反應(yīng)介質(zhì)出口；膜電極，包括離子交換膜、陽極電極材料、陰極電極材料，陽極電極和材料陰極電極材料分別熱壓于離子交換膜的兩側(cè)；陽極基板，陽極基板的第一面上設(shè)置有容置槽，微通道反應(yīng)區(qū)域載體容置于容置槽內(nèi)時，微通道反應(yīng)區(qū)域載體設(shè)置有第一溝道的一側(cè)在第一面顯露；陰極基板，陰極基板的第二面設(shè)置有與微通道反應(yīng)區(qū)域載體上第一溝道匹配的第二溝道；將膜電極夾設(shè)于陽極基板和陰極基板之間，陽極電極材料與第一溝道貼置，陰極電極材料與第二溝道貼置。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及人工光合技術(shù)，尤其涉及一種可攜帶的、基于微通道技術(shù)的人工光合成反應(yīng)裝置，用于地外微重力環(huán)境下模擬地外人工光合作用。

背景技術(shù)

隨著人類探索疆域的拓展，重返月球、載人火星等極具挑戰(zhàn)性的航天任務(wù)逐步提上日程。在未來載人深空探索活動中，生物體生存過程將面臨著基本的物質(zhì)與能量需求，地外生存是人類實現(xiàn)地外移民、長期居住的基本要求。從地球上攜帶資源來開展載人地外探索，任務(wù)成本代價極高，技術(shù)上也難以實現(xiàn)。因而，大力發(fā)展原位儲能技術(shù)，對天體資源加以有效利用并對攜帶的物質(zhì)進行循環(huán)利用，才能大大降低從地球攜帶的物資需求，使載人深空探索任務(wù)具備可行性。人工光合成通過光電催化反應(yīng)可控的將人類呼吸產(chǎn)生的二氧化碳或者地外行星大氣環(huán)境中的二氧化碳和水資源轉(zhuǎn)化為氧氣和含碳燃料，實現(xiàn)密閉空間的廢棄資源循環(huán)利用，降低載人空間站、載人深空飛船的物資供應(yīng)需求，實現(xiàn)人類在其它行星的長期生存目標。該技術(shù)可有效支撐未來可持續(xù)的載人航天任務(wù)，是太空探索的核心能力。因此，通過地面實驗和空間實驗分階段、分步驟研究、開發(fā)和驗證地外人工光合成技術(shù)，將有力支撐載人航天后續(xù)發(fā)展。

目前，地面重力環(huán)境下進行人工光合作用，實現(xiàn)二氧化碳還原為氧氣和碳氫化合物研究所采用的裝置普遍為大尺度容器。然而，在微重力環(huán)境下，大尺度容器中多相反應(yīng)體系中氣泡演化與氣泡、電解質(zhì)和電極表面相互接觸的三相區(qū)界面相互作用機理對材料穩(wěn)定性和化學(xué)反應(yīng)過程控制、系統(tǒng)的有效構(gòu)建和如何提高轉(zhuǎn)換效率等產(chǎn)生重要影響。過溶氣體在電極表面附近聚集形成的溶解氣體分子的過飽和層，使得氣體在過飽和層的成核過程中脫離電極表面并向上移動將電解質(zhì)包裹起來，從而在局部引發(fā)物質(zhì)的單相自由對流(微對流)行為，氣液無法有效分離，導(dǎo)致反應(yīng)效率急劇下降；另一方面，氣泡引起的界面電阻(歐姆降)增加，將影響電極的表面覆蓋，使得傳質(zhì)過程變得更加困難。再者，人工光合成反應(yīng)涉及氣相、液相和固相三相反應(yīng)，地外空間中大尺度容器不易攜帶、操控、密封和儲存。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本申請的一個方式是提供一種光合成反應(yīng)裝置、膜電極的制作方法。

根據(jù)本申請的第一方面，提供一種光合成反應(yīng)裝置，包括：

微通道反應(yīng)區(qū)域載體，設(shè)置有串聯(lián)聯(lián)通或并聯(lián)聯(lián)通的第一溝道；所述第一溝道的兩端分別設(shè)置有第一反應(yīng)介質(zhì)進口和第一反應(yīng)介質(zhì)出口；

膜電極，包括離子交換膜、陽極電極材料、陰極電極材料，所述陽極電極材料和所述陰極電極材料分別熱壓于所述離子交換膜的兩側(cè)；

陽極基板，所述陽極基板的第一面上設(shè)置有容置槽，所述微通道反應(yīng)區(qū)域載體容置于所述容置槽內(nèi)時，所述微通道反應(yīng)區(qū)域載體設(shè)置有第一溝道的一側(cè)在所述第一面顯露；

陰極基板，所述陰極基板的第二面設(shè)置有與所述微通道反應(yīng)區(qū)域載體上第一溝道匹配的第二溝道；

所述陽極基板和所述陰極基板以所述第一面和第二面貼合的方式將所述膜電極夾設(shè)于所述陽極基板和所述陰極基板之間，所述陽極電極材料與所述第一溝道貼置，所述陰極電極材料與所述第二溝道貼置。

作為一種實現(xiàn)方式，所述第一溝道所形成的反應(yīng)面積為(10-50mm)×(10-50mm)，所述第一溝道的深度和寬度尺寸分別為(100-500)μm×(100-500)μm；