基于太阳能光驱动固体氧化物电解制备碳氢化合物的方法

1.本发明是关于电解制备碳氢化合物领域，具体涉及一种基于太阳能光驱动的固体氧化物电解还原二氧化碳和水制备碳氢化合物的方法。


背景技术：

2.调整能源结构，采用太阳能等清洁能源替代化石能源是实现二氧化碳排放减少的主要方法。而二氧化碳的封存、转化和利用，如将二氧化碳和水转化为碳氢化合物用于化工领域，也是一种可行的策略。
3.研究人员提出了基于太阳能的固体氧化物电解池技术，利用清洁的太阳能实现碳氢化合物制备。在500-1000℃温度范围内运行的固体氧化物电解池，被认为是一种高效的电解方式，其中的二氧化碳转化反应也受到广泛研究。基于太阳能的固体氧化物电解池，利用太阳能产生的热能和电能共同参与碳氢化合物生产。光致热能的直接参与，利用太阳能中可见-红外波段的长波能量，提高了太阳能的整体利用效率。然而，该技术仍存在一些问题和改进空间。
4.首先，在现有固体氧化物电解池中，二氧化碳和水转化反应具有较高的难度。由于二氧化碳是一种化学性质稳定的不活泼分子，其与水反应生成碳氢化合物需经历多电子转移反应，反应流程复杂且能垒高，导致碳氢化合物生产过程中的转化率和选择性不高。
5.其次，目前的技术主要关注点是利用太阳能的热能和电能部分，而尚未充分考虑直接利用太阳能的光能。因此，现有的固体氧化物电解池技术普遍缺乏直接光驱动的利用。
6.光驱动反应是一种半导体接受光照产生光生载流子驱动的化学反应，在光催化领域和光电化学领域已被证明可为制备碳氢化合物完全或部分提供能量。但目前尚未有公开文献记载过关于将光驱动方法应用于固体氧化物电解池的内容。
7.针对这一技术问题，本发明提出基于太阳能光驱动固体氧化物电解制备碳氢化合物的方法。通过引入光驱动进一步提高太阳能的整体利用率，并解决二氧化碳和水转化困难的问题。


技术实现要素：

8.本发明的主要目的在于克服现有技术中的问题与不足，提供一种基于太阳能光驱动固体氧化物电解制备碳氢化合物的方法。
9.为实现上述构想，本发明的解决方案是：
10.提供一种基于太阳能光驱动固体氧化物电解制备碳氢化合物的方法，该方法是基于太阳能光驱动固体氧化物电解制备碳氢化合物的系统而实现的：该系统包括太阳能光热收集系统和光驱动电解反应系统；其中，
11.所述太阳能光热收集系统由聚光设备和导光器件组成，用于收集太阳光并实现传导与照射；导光器件呈中空管状，沿其轴向设有石英导光柱，导光柱与管壁之间保持径向间距；
12.所述光驱动电解反应系统包括电解反应室和进排气系统；在进排气系统和导光器件外部设有保温层；电解反应室为中空腔室，其内部设置的固体氧化物电解池将腔室分隔成阴极室和阳极室两部分；固体氧化物电解池呈平板结构或管式结构，包括依次布置的阴极层、电解质层和阳极层，阴极层由具有集热性能的固态氧化物半导体材料和非全覆盖的金属集流层构成；进排气系统包括两组进气口和排气口，以及与其分别相连的管路；其中，阴极室的进气口通过管路引入含有二氧化碳和水的混合气，阳极室的进气口通过管路引入载气；阴极室的排气口通过管路排出含有碳氢化合物的产物，且在管路末端装有空气电极；阳极室的排气口通过管路排出含有氧气的载气，且在管路末端装有空气电极；外部电源分别连接两个空气电极，空气电极通过设于管路中导线连接固体氧化物电解池的阳极层和阴极层中的集流层；导光柱的末端对准固体氧化物电解池的阴极层表面，固态氧化物半导体材料吸收太阳光中热能，同时利用半导体的光生载流子进行光驱动和光催化，实现光热电三者协同的电解反应；
13.所述基于太阳能光驱动固体氧化物电解制备碳氢化合物的方法，具体包括以下步骤：
14.(1)利用聚光设备收集太阳光，由导光器件中的石英导光柱传导太阳光，最终照射在电解反应室中固体氧化物电解池的表面；阴极层中的固态氧化物半导体材料持续集热，控制电解反应室的温度在500～1000℃；
15.(2)向阳极室中引入载气，通过鼓泡器向阴极室中引入含有二氧化碳和水的混合气；控制混合气中二氧化碳和水的体积比值为0.5～1，阴极室中混合气和阳极室中载气的流量比为1：1；阳极室和阴极室中的压力均为常压；
16.(3)通过外部电源对空气电极施加小于1.48v的电压，利用空气电极对固体氧化物电解池的阳极层和阴极层供电；
17.(4)在500～1000℃、大气压和太阳光直接照射条件下，二氧化碳和水在阴极层表面完成转化反应，产物为碳氢化合物；载气流过阳极室带走反应产生的氧气，维持阳极的低氧分压；固体氧化物电解池运行于吸热状态，对太阳光中热能的直接加以利用，催化反应中同时利用了固态氧化物半导体材料的光驱动效应，实现光-热-电协同反应；
18.(5)阴极室中产生的碳氢化合物由产物收集罐收集，阳极室中产生的氧气被载气携带排出系统。
19.作为本发明的优选方案，在导光器件中，导光柱与管壁之间的环管形空腔内保持真空；所述石英导光柱的横截面与固体氧化物电解池的阴极层具有相同形状且面积相等。
20.作为本发明的优选方案，在引入含有二氧化碳和水的混合气的管路上设有气体流量计和鼓泡器，鼓泡器分别连接二氧化碳气源和水源；在引入载气的管路上设有气体流量计，气体流量计与载气瓶相连；在排出产物的管路上，设有产物收集罐。
21.作为本发明的优选方案，所述聚光设备是塔式聚光器、槽式聚光器、菲涅耳式聚光器或碟式聚光器。
22.作为本发明的优选方案，所述外部电源是光伏储能发电设备，用于向空气电极施加小于1.48v的电压。
23.作为本发明的优选方案，所述金属集流层是金、银或铂制成的金属网。
24.作为本发明的优选方案，引入阳极室的载气是氮气或空气；引入阴极室的混合气
中含有二氧化碳和水，或者含有二氧化碳、水和惰性气体，所述惰性气体是氮气或氩气。
25.作为本发明的优选方案，所述导光器件的末端具有延伸的中空管状结构，其末端设置径向外延的端面法兰；所述进排气系统整体呈中空的柱塞结构，且套装在导光器件末端的管状结构中，两者之间为密封的间隙配合；进排气系统的长度小于该管状结构，以两者形成的内部空间作为电解反应室；在柱塞结构的端面上设有半径相对略小的凸起支撑环，所述固体氧化物电解池为平板结构且以其边缘固定安装在支撑环上；阴极室的进气口和排气口设于支撑环外部的柱塞结构端面上，阳极室的进气口和排气口设于支撑环内部的柱塞结构端面上，各进气排气管路均平行于柱塞状结构的轴向设于其空腔中。
26.作为本发明的优选方案，在柱塞结构的外侧末端设有沿径向外延的端面法兰，并通过螺丝或螺栓组件与导光器件的端面法兰固定连接。
27.作为本发明的优选方案，在导光器件的另一端部设有径向外延的端面法兰，中空圆筒形的保温层围绕布置在导光器件的外侧且位于两个端面法兰之间。
28.发明原理描述：
29.在本发明的技术方案中，太阳能光热收集系统收集太阳光以实现电解反应室中固态氧化物半导体材料的直接光照，并利用保温层维持热量以稳定反应池中的反应温度。导光器件(及导光柱)采用高透光石英材料，利用了其全反射特性使得大部分太阳光能够直接照射在固态氧化物的表面，避免了光线的发散损失。电解反应室的相对两侧均设计成较长的管状结构，能够使电解反应室与周边环境保持足够距离，防止热量的散失。在导光器件和进排气系统的外部包围硅铝酸盐材质的保温层，可以防止热量散失。导光柱底端正对着固体氧化物电解池的受光面，通过固态氧化物半导体材料的选择性吸光集热实现太阳光的高效利用，减少反射损失与热辐射损失。
30.在电解反应室中，作为反应原料的二氧化碳和水混合气体流入阴极室，在500-1000℃、大气压、太阳光直接照射条件下，在固体氧化物电解池的阴极层表面完成转化反应，产物为碳氢化合物(包括但不限于甲烷、乙烷、乙烯)，该处的总反应表述为：co2+h2o
→cxhy
。该过程中氧原子穿透电解质层，在阳极层生成氧气。载气(包括但不限于氮气、空气)流入阳极室后带走反应产生的氧气，维持阳极的低氧分压。外部电源对空气电极施加小于1.48v的电压，并利用管道中的导线分别连接阴极层和阳极层实现对电解反应室导电。
31.固体氧化物电解池的阴极层表面直接受光后，短波的紫外可见光参与光驱动的反应，长波的可见红外光则参与集热部分用于维持反应温度(500-1000℃)，而电能部分可以来源于商业化的光伏/光热技术，从而区分出基于太阳能的三种能量形式：光、热和电。半导体光照产生的载流子以光驱动的方法为碳氢化合物反应部分供能，运行于小于1.48v低压下的固体氧化物电解池是电能与热能共同参与的反应，从而实现基于太阳能的光-热-电三种中间能量形式共同参与的碳氢化合物合成反应。
32.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
33.1、相对于现有技术中固体氧化物电解池仅能利用太阳能产生的热能和电能，本发明在电解反应过程中还利用半导体的光生载流子进行光催化或光反应；能够降低克服反应能垒所需提供的偏压，实现节能减耗。在将光驱动的反应运用于固体氧化物电池制备碳氢化合物的过程中，克服了二氧化碳和水反应流程复杂和能垒高的问题，提高了碳氢化合物的产率和选择性。
34.2、本发明在利用高品质的紫外可见光进行光驱动反应的同时，将低品质的红外光转变为热能，实现了太阳光全光谱的分级分质利用。
35.3、本发明通过光热收集和利用技术，使固体氧化物电解池直接接受光照，太阳能直接用于电解反应，从而提高了能源利用效率。
36.4、本发明的系统主体结构采用了集成式设计，能够避免光线的发散，确保太阳光直接照射到固体氧化物电解池表面的阴极层，同时满足了光热收集和电解池反应的要求。
37.5、本发明的反应产物是可控的，能够将二氧化碳和水转化为碳氢化合物；由于反应产物种类可控，在环保和能源领域具有广泛的应用前景。
附图说明
38.图1是本发明中电解制备碳氢化合物系统的示意图。
39.图中附图标记：导光器件1；进排气系统2；保温层3；电解反应室4；含二氧化碳和水的混合气5；载气6；气体流量计7；产物收集罐8；空气电极9；外部电源10。
具体实施方式
40.本技术中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
41.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.下面结合附图与实例对本发明做进一步详细说明。
43.一、系统结构说明
44.如图1所示，本发明的方法是基于太阳能光驱动固体氧化物电解制备碳氢化合物的系统而实现的，该系统包括太阳能光热收集系统和光驱动电解反应系统。其中，太阳能光热收集系统由聚光比10-100的聚光设备(图中未示出)和导光器件1组成，用于收集太阳光并实现传导与照射。聚光设备可选是塔式聚光器、槽式聚光器、菲涅耳式聚光器或碟式聚光器。导光器件1呈中空管状，在其中轴线位置设有石英材质的导光柱，导光柱与管壁之间保持径向间距。为避免热量损失，可以让导光柱与管壁之间的环管形空腔内保持真空。
45.光驱动电解反应系统包括电解反应室4和进排气系统2。
46.电解反应室4为中空腔室，其内部设置固体氧化物电解池，将腔室分隔成阴极室和阳极室两部分。固体氧化物电解池可选是平板结构或管式结构，包括依次布置的阴极层、电解质层和阳极层，阴极层由具有集热性能的固态氧化物半导体材料和非全覆盖的金属集流
层构成。金属集流层可选是金、银或铂等材质制成的金属网。进排气系统2包括两组进气口和排气口，以及与其分别相连的管路。其中，阴极室的进气口通过管路引入二氧化碳和水的混合气5，阳极室的进气口通过管路引入载气6；阴极室的排气口通过管路排出含有碳氢化合物的产物，且在管路末端装有一个空气电极9；阳极室的排气口通过管路排出含有氧气的载气，且在管路末端装有另一个空气电极9。在引入二氧化碳和水的混合气5的管路上设有一个气体流量计7和鼓泡器(图中未示出)，鼓泡器分别连接二氧化碳气源和水源；在引入载气6的管路上设有另一个气体流量计7，该气体流量计7与载气瓶相连。在排出产物的管路上，设有产物收集罐8。外部电源10分别连接两个空气电极9，用于向其施加小于1.48v的电压，并通过设于管路中导线连接阳极层和阴极层中的集流层，为固体氧化物电解池的两极供电。导光柱的末端对准固体氧化物电解池的阴极层表面用于投射收集到的太阳光，该侧表面的固态氧化物材料在吸收太阳光中热能的同时，还利用半导体的光生载流子进行光驱动和光催化，实现光热电三者协同的电解反应。为避免太阳能量浪费，石英导光柱的横截面与固体氧化物电解池具有相同形状且面积相等。此外，在进排气系统2和导光器件1的外部设有保温层3，其材质可选为硅铝酸盐材质的保温材料。外部电源10可选是光伏储能发电设备，能够进一步实现对太阳能的综合利用；当然也可以利用来自其它新能源发电设备或公共电网的电力供应。
47.为了进一步提高太阳光的利用效率，本发明对太阳能光热收集系统和光驱动电解反应系统进行了创新性设计，将导光器件1和进排气系统2设计为一体式结合的结构。如图1所示，在导光器件1的末端进一步设置了延伸的中空管状结构，且最末端设置径向外延的端面法兰。进排气系统2的整体外形呈中空的柱塞结构，且将该柱塞结构套装在导光器件1末端延伸的管状结构中，两者之间为密封的间隙配合。进排气系统2的长度小于该管状结构，以两者形成的内部空间作为电解反应室4。在柱塞结构的端面上设有半径相对略小的凸起支撑环(也可以是其它截面形状)，该实例中的固体氧化物电解池为平板结构，并以其边缘固定安装在支撑环上。阴极室的进气口和排气口设于支撑环外部的柱塞结构端面上，阳极室的进气口和排气口设于支撑环内部的柱塞结构端面上，各进气排气管路均平行于柱塞状结构的轴向设于其空腔中。为使安装稳固，在柱塞结构的外侧末端设有沿径向外延的端面法兰，并通过螺丝或螺栓组件与导光器件1下侧的端面法兰固定连接。在导光器件1的上侧端部也设有径向外延的端面法兰，此时中空圆筒形的保温层3围绕布置在导光器件1的外侧且位于两个端面法兰之间。
48.作为公知常识，为使本发明所述系统投入运行还需要配置必要的传感器和控制器件。例如，需要在电解反应室中设置温度传感器，以及根据电解反应的控制需要对外部电源10提供的电压、聚光设备收集的太阳光强度等进行调控。申请人认为，这些控制器件或控制方法均属本领域技术人员熟练掌握的技术手段，因此在本发明中不再赘述。
49.二、固体氧化物电解池的制备说明
50.本发明中，固体氧化物电解池可选呈平板结构或管式结构，包括依次布置的阴极层、电解质层和阳极层，阴极层由具有集热性能的固态氧化物半导体材料和非全覆盖的金属集流层构成。具体的制备步骤示例如下：
51.(1)确定固态氧化物半导体材料
52.固态氧化物半导体材料可选是单一成分或多组分复合，应满足固体氧化物电池的
电极反应要求(a)，以及光驱动和集热的太阳能利用要求(b)。其中，要求(a)包括但不限于催化反应性能、高温稳定性和氧化还原气氛的耐受性；要求(b)包括但不限于光照条件下产生光生载流子的半导体特性、光催化或光反应性能以及在太阳光条件下的集热性能。
53.(2)制备固态氧化物半导体材料
54.固态氧化物半导体材料可直接采购市售商业产品，如aladdin/阿拉丁公司生产的srtio3(12060-59-2)型号产品。或者，可以参考公开文献自行制备。
55.例如，分别制备一种或多种满足要求的材料粉末，并将可能的多种材料以不同方式组合起来。其中，材料粉末的制备方法包括但不限于固相反应法、溶胶凝胶法、溶剂热法、熔融盐法。组合方式可以是均匀混合的，也可以是先后附着于基体上的：包括但不限于浸渍法、气相沉积法、原子层沉积法。
56.作为示例，可以参考physics of srtio3-based heterostructures and nanostructures:a review(doi:10.1088/1361-6633/aa892d)文献记载的制备技术，或钛酸锶球状纳米晶体的制备方法(cn109850938a)专利公开的制备方案。
57.(3)构建固体氧化物电解池
58.将所选固态氧化物半导体材料用作阴极材料，与常规技术中的电解质、阳极材料进行配合构建固体氧化物电解池，该部分内容属于现有技术。该电解池可以是平板结构或管式结构，并至少包括阳极层、电解质层和阴极层三部分。或者，也可以将所选固态氧化物半导体材料与常规的半电池基体进行组合以构建电解池；组合方法包括但不限于丝网印刷法、旋涂法、喷涂法。
59.此外，需要在阴极层中增加金属集流层，并连接导线。金属集流层用于对阴极层进行非全覆盖，以保留光照的可能性，具体可以采用网状集流层等方案。集流层和导线材料应具备高温耐受和化学稳定性，可选用金、银、铂等材料。
60.三、系统的使用方法示例
61.1、利用本发明的系统，可以实现太阳能光驱动固体氧化物电解池制备碳氢化合物。
62.(1)利用太阳能光热收集系统中的聚光设备收集太阳光，由导光器件1中的石英导光柱传导太阳光，最终照射在电解反应室中固体氧化物电解池的表面。阴极层中的固态氧化物半导体材料持续集热，直至电解反应室的温度范围在500～1000℃。
63.(2)通过载气瓶向阳极室中引入载气(包括但不限于氮气或空气)，通过鼓泡器向阴极室中引入含有二氧化碳和水的混合气(可进一步包括氮气、氩气等惰性气体)。控制混合气中二氧化碳和水的体积比值为0.5～1，阴极室中混合气和阳极室中载气的流量比为1：1，混合气和载气的流量由两个气体流量计7分别定量。阳极室和阴极室中的压力均为常压。
64.(3)通过外部电源10对空气电极9施加小于1.48v的电压，空气电极通过设于管路中导线连接阳极层和阴极层中的集流层，实现对固体氧化物电解池的供电。
65.(4)在500-1000℃、大气压、太阳光直接照射条件下，二氧化碳和水在阴极层表面完成转化反应，产物为碳氢化合物(包括但不限于甲烷、乙烷、乙烯)。该过程中氧原子穿透电解质层，在阳极层生成氧气；载气流过阳极室带走反应产生的氧气，维持阳极的低氧分压。固体氧化物电解池运行于吸热状态，对太阳光中热能的直接加以利用，催化反应中同时利用了固态氧化物半导体材料的光驱动效应，实现光-热-电协同反应。
66.(5)阴极室中产生的碳氢化合物由产物收集罐8收集，阳极室中产生的氧气被载气携带排出系统。
67.2、具体实施例1
68.(1)固态氧化物半导体材料确定为la
0.6
sr
0.4
co
0.2
fe
0.8
o3，以下简称lscf。lscf是经典的固体氧化物电解池(soec)阳极材料因而具有soec相关性能，fe系钙钛矿是带隙为1-3ev的半导体材料因而能被太阳光谱激发进行光驱动反应，其高于0.9的吸光度使其成为优秀的太阳能集热材料。
69.(2)lscf的制备采用溶胶凝胶法。将化学计量比的硝酸锶、六水合硝酸镧、九水合硝酸铁和六水合硝酸钴溶解在lscf浓度为0.2m的超纯水中。加入一水柠檬酸，柠檬酸与金属阳离子的摩尔比为1.2:1。加入氨水使溶液ph＝9。加入乙二醇，乙二醇与柠檬酸的摩尔比为4:1。在80℃水浴中连续搅拌溶质，直至形成干凝胶。干凝胶在200℃中烘干12h，在550℃中焙烧5h，研磨成细粉，在850℃中焙烧5h，备用。
70.(3)将lscf用作阴极材料构建固体氧化物电解池。商用的ysz/lsm 35mm*35mm*0.5mm平板式半电池(包含常规的电解质和阳极层)作为基体，采用丝网印刷的方式将7％乙基纤维素的松油醇溶液和lscf以1:1混合而成的油墨印刷于基体形成5cm2圆电极，后经1200℃热处理2h。丝网印刷网状导电银胶并粘接银丝，后经250℃热处理2h。
71.(4)构建太阳能利用与反应一体化系统。太阳能利用部分采用高准直度模拟太阳光源和碟式抛物面聚光系统，聚光比可达到50。采用石英导光柱将光线导入核心部分以保证反应腔体与外界隔绝，外围石英管抽真空以减少热散失，石英反应器整体包裹于硅铝酸盐保温材料中以隔离环境且降低热损耗。利用高硼硅玻璃进行电池的高温密封，由于其高温下的软化特性而实现了各部件热膨胀之间的配合。
72.(5)运行光驱动的太阳能固体氧化物电解池。
73.阴极气氛为二氧化碳、水和氩气，流速分别为10sccm、20sccm和70sccm；阳极气氛为氩气，流速为100sccm。
74.施加太阳光照使电解池温度稳定于500℃，并施加1.2v恒压运行电解池。
75.反应产物为甲烷。
76.3、具体实施例2
77.(1)固态氧化物半导体材料确定为la
0.6
sr
0.4
co
0.2
fe
0.8
o3，以下简称lscf。该部分与实施例1一致。
78.(2)lscf的制备采用溶胶凝胶法。该部分与实施例1一致。
79.(3)将lscf用作阴极材料构建固体氧化物电解池。该部分与实施例1一致。
80.(4)构建太阳能利用与反应一体化系统。该部分与实施例1一致。
81.(5)运行光驱动的太阳能固体氧化物电解池。
82.阴极气氛为二氧化碳、水和氩气，流速分别为12sccm、18sccm和70sccm；阳极气氛为氩气，流速为100sccm。
83.施加太阳光照使电解池温度稳定于800℃，并施加1.0v恒压运行电解池。
84.反应产物为甲烷和乙烷。
85.4、具体实施例3
86.(1)固态氧化物半导体材料确定为0.08al-la
0.3
sr
0.7
tio3，以下简称alst。不含al
的lst是soec电极材料，而al掺杂的srtio3是高效光催化剂，经过组合改造的alst有望同时具备电学性能和光学性能。
87.(2)alst的制备采用溶胶凝胶法和熔融盐法。
88.采用溶胶凝胶法制备lst。将化学计量比的硝酸锶、六水合硝酸镧溶解在lst浓度为0.2m的超纯水中。加入将化学计量比的异丙醇钛溶解在乙二醇中使乙二醇与lst摩尔比为8:1，后加入一水柠檬酸使柠檬酸与lst的摩尔比为2.4:1。将两种溶液混合，在80℃水浴中连续搅拌溶质，直至形成干凝胶。干凝胶在200℃中烘干12h，在550℃中焙烧5h，研磨成细粉，在850℃中焙烧5h，备用。
89.采用熔融盐法制备alst。将化学计量比al2o3，lst和额外的srcl2研磨1h混和使得alst和srcl2的摩尔比为1:10。在1200℃中焙烧2h，使用水和乙醇交替洗涤三次以去除srcl2，烘干研磨备用。
90.(3)将alst用作阴极材料构建固体氧化物电解池。该部分与实施例1和实施例2一致。
91.(4)构建太阳能利用与反应一体化系统。该部分与实施例1和实施例2一致。
92.(5)运行光驱动的太阳能固体氧化物电解池。
93.阴极气氛为二氧化碳、水和氩气，流速分别为15sccm、15sccm和70sccm；阳极气氛为氩气，流速为100sccm。
94.施加太阳光照使电解池温度稳定于1000℃，并施加0.8v恒压运行电解池。
95.反应产物为甲烷、乙烷和乙烯。
96.需要注意的是，本发明不限于以上的具体实施方式，而是可以采用其他的具体形式。因此，可以根据具体的应用需要，选择不同的电解池和装置，以满足特定的反应条件和性能要求。
97.本发明可用其他的不违背本发明的精神和主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明。权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

技术特征：
1.一种基于太阳能光驱动固体氧化物电解制备碳氢化合物的方法，其特征在于，该方法是基于太阳能光驱动固体氧化物电解制备碳氢化合物的系统而实现的：该系统包括太阳能光热收集系统和光驱动电解反应系统；其中，所述太阳能光热收集系统由聚光设备和导光器件组成，用于收集太阳光并实现传导与照射；导光器件呈中空管状，沿其轴向设有石英导光柱，导光柱与管壁之间保持径向间距；所述光驱动电解反应系统包括电解反应室和进排气系统；在进排气系统和导光器件外部设有保温层；电解反应室为中空腔室，其内部设置的固体氧化物电解池将腔室分隔成阴极室和阳极室两部分；固体氧化物电解池呈平板结构或管式结构，包括依次布置的阴极层、电解质层和阳极层，阴极层由具有集热性能的固态氧化物半导体材料和非全覆盖的金属集流层构成；进排气系统包括两组进气口和排气口，以及与其分别相连的管路；其中，阴极室的进气口通过管路引入含有二氧化碳和水的混合气，阳极室的进气口通过管路引入载气；阴极室的排气口通过管路排出含有碳氢化合物的产物，且在管路末端装有空气电极；阳极室的排气口通过管路排出含有氧气的载气，且在管路末端装有空气电极；外部电源分别连接两个空气电极，空气电极通过设于管路中导线连接固体氧化物电解池的阳极层和阴极层中的集流层；导光柱的末端对准固体氧化物电解池的阴极层表面，固态氧化物半导体材料吸收太阳光中热能，同时利用半导体的光生载流子进行光驱动和光催化，实现光热电三者协同的电解反应；所述基于太阳能光驱动固体氧化物电解制备碳氢化合物的方法，具体包括以下步骤：(1)利用聚光设备收集太阳光，由导光器件中的石英导光柱传导太阳光，最终照射在电解反应室中固体氧化物电解池的表面；阴极层中的固态氧化物半导体材料持续集热，控制电解反应室的温度在500～1000℃；(2)向阳极室中引入载气，通过鼓泡器向阴极室中引入含有二氧化碳和水的混合气；控制混合气中二氧化碳和水的体积比值为0.5～1，阴极室中混合气和阳极室中载气的流量比为1：1；阳极室和阴极室中的压力均为常压；(3)通过外部电源对空气电极施加小于1.48v的电压，利用空气电极对固体氧化物电解池的阳极层和阴极层供电；(4)在500～1000℃、大气压和太阳光直接照射条件下，二氧化碳和水在阴极层表面完成转化反应，产物为碳氢化合物；载气流过阳极室带走反应产生的氧气，维持阳极的低氧分压；固体氧化物电解池运行于吸热状态，对太阳光中热能的直接加以利用，催化反应中同时利用了固态氧化物半导体材料的光驱动效应，实现光-热-电协同反应；(5)阴极室中产生的碳氢化合物由产物收集罐收集，阳极室中产生的氧气被载气携带排出系统。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在导光器件中，导光柱与管壁之间的环管形空腔内保持真空；所述石英导光柱的横截面与固体氧化物电解池的阴极层具有相同形状且面积相等。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在引入含有二氧化碳和水的混合气的管路上设有气体流量计和鼓泡器，鼓泡器分别连接二氧化碳气源和水源；在引入载气的管路上设有气体流量计，气体流量计与载气瓶相连；在排出产物的管路上，设有产物收集罐。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚光设备是塔式聚光器、槽式聚光器、菲涅耳式聚光器或碟式聚光器。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外部电源是光伏储能发电设备，用于向空气电极施加小于1.48v的电压。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属集流层是金、银或铂制成的金属网。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，引入阳极室的载气是氮气或空气；引入阴极室的混合气中含有二氧化碳和水，或者含有二氧化碳、水和惰性气体，所述惰性气体是氮气或氩气。8.根据权利要求1至7任意一项中所述的方法，其特征在于，所述导光器件的末端具有延伸的中空管状结构，其末端设置径向外延的端面法兰；所述进排气系统整体呈中空的柱塞结构，且套装在导光器件末端的管状结构中，两者之间为密封的间隙配合；进排气系统的长度小于该管状结构，以两者形成的内部空间作为电解反应室；在柱塞结构的端面上设有半径相对略小的凸起支撑环，所述固体氧化物电解池为平板结构且以其边缘固定安装在支撑环上；阴极室的进气口和排气口设于支撑环外部的柱塞结构端面上，阳极室的进气口和排气口设于支撑环内部的柱塞结构端面上，各进气排气管路均平行于柱塞状结构的轴向设于其空腔中。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在柱塞结构的外侧末端设有沿径向外延的端面法兰，并通过螺丝或螺栓组件与导光器件的端面法兰固定连接。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在导光器件的另一端部设有径向外延的端面法兰，中空圆筒形的保温层围绕布置在导光器件的外侧且位于两个端面法兰之间。

技术总结
本发明涉及电解制备碳氢化合物，旨在提供一种基于太阳能光驱动固体氧化物电解制备碳氢化合物的方法。包括步骤：由石英导光柱传导太阳光，照射在电解反应室中电解池的表面；阴极层中的固态氧化物半导体材料持续集热，利用空气电极供电；通过鼓泡器向阴极室中引入含有二氧化碳和水的混合气，转化为碳氢化合物收集；阳极室产生的氧气被载气携带排出系统。本发明除可利用太阳能产生的热能和电能，还在电解反应过程中利用半导体的光生载流子进行光催化或光反应；能够降低克服反应能垒所需提供的偏压，实现节能减耗。在将光驱动的反应运用于制备碳氢化合物的过程，克服了二氧化碳和水反应流程复杂和能垒高的问题，提高了碳氢化合物的产率和选择性。物的产率和选择性。物的产率和选择性。


技术研发人员：张彦威 许辰宇
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.10
技术公布日：2023/9/20