基于STEP理论高效全太阳能驱动分解二氧化碳制碳燃料系统的构建与研究

二氧化碳的资源化具有极其广阔的研究前景，太阳能一直被人们认为是一种最理想无污染的绿色能源。本项目结合这两点，基于step理论，以二氧化碳资源化为目标，全部采用太阳能为能源，高效地将二氧化碳分解成碳燃料。利用太阳能的光热效应和光电效应，以及次级的电化学反应（太阳能一级的光（Photo）效应，二级的光热（Photo-Thermal）效应、光电 (Photo-electric) 效应，以及三级的电化学（Eletrochemical）效应，其核心是高温电解反应）将环境稳定的分子CO2进行高温电解还原成含能材料。通过太阳能分解环境稳定分子制含能材料系统的基本原理和理论研究，给出此系统理论框架，然后设计构建三个主要的子单元：光-热单元、光-电单元、电化学单元，再利用三个子单元完美地能级/能量匹配、光谱匹配、电势匹配、效率匹配的原则，构建成高效集成耦合型太阳能-电和热-电化学-含能分子系统，将CO2进行高温电解还原成碳燃料。此系统的能量全部来自太阳能，其核心是电化学单元，即超高温电解单元，由光热单元利用热效应提供高温，由光电单元利用光电效应提供电能，由高温电化学单元完成高效转化。给出了该系统的理论框架和基础，并通过实验研究构建光-电单元[Spectrolab GaInP2/GaAs/Ge CPV]，光-热单元[菲涅尔透镜]，电解单元[Fe/Li2CO3-Na2CO3-K2CO3/Ni]，再利用能级、光谱、电势、效率完美匹配耦合原则，构建高效集成耦合型太阳能-热-电化学-含能分子系统。此系统能量全部来自太阳能，其中，光-热效应提供高温、光-电效应提供电能、并由高温电化学单元完成太阳能的高效转化并将CO2转化为碳材料，其核心为高温电解反应，系统的光-电转化效率可达29.2%，电解单元的电流效率可达65%以上。本系统为高效、可持续的Solar-CO2-Fuel绿色循环，大幅提了高太阳能利用效率。