[发明专利]一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统及方法

说明书

本发明提供一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统和方法，光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统包括透明电解池，透明电解池内设有阳离子交换膜，阳离子交换膜将透明电解池分隔形成阳极室和阴极室；阳极室内设有光阳极和阳极电解液，阴极室内设有光阴极和阴极电解液；阳极液为含有机固废和电解质的水溶液，阴极液为含无极碳源的水溶液。本发明提供的光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统及方法，将光电催化有机固废氧化与二氧化碳还原过程耦合，提高光电催化二氧化碳还原的速率。

技术领域

本发明属于有机固废及二氧化碳的资源化利用技术领域，具体涉及一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统及方法。

背景技术

近年来，随着工业化进程的不断发展，全球人口持续增加，化石能源的大量消耗，二氧化碳气体的排放量不断增加。而大气中不断提高的二氧化碳浓度被认为是导致气候变暖的主要原因。因此，实现碳中和目标已经成为了目前的焦点问题。实现碳中和目标迫切需要开发高效经济的负碳技术。

光电催化二氧化碳还原系统通过仿效自然界树叶的光合作用过程，将太阳能、二氧化碳和水转化为高附加值的燃料和化学品，是一种极具潜力的负碳技术。但目前为止，该过程依旧受限于较低的能量效率。诸多研究表明阳极水氧化过程具有较缓慢的反应动力学特性和较高过电势，成为限制目前该系统效率的一大瓶颈问题。另外，该过程中产生的副产物氧气附加值较低，致使系统经济性较低，应用困难。而大部分有机固废具有较低的氧化能垒，因此从提高系统能量效率的角度，以将有机固废氧化与二氧化碳还原耦合具有更大优势。

另外，有机固废高值化利用技术目前依然是极具挑战性的一个难题。传统的热催化转化法需要高温等苛刻条件、能耗高且产物选择性较差。而填埋，机械回收以及生物降解等策略面临着包括易造成环境污染，资源利用不充分，降解速度慢在内的诸多问题。而光(电)催化转化技术能实现常温常压条件下废弃物的高选择性转化，从而有效地降低了转化过程中的能量消耗。另外，通过调控光照和电流条件或者改变电解质溶液，能调节光电催化合成反应速率，同时可以提高对高价值目标反应产物的选择性。因此，人工光合作用技术也可以为有机固废高值化利用提供新的平台与机遇。

目前，将还未见到光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统和方法的报导。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统及方法，将光电催化有机固废氧化与二氧化碳还原过程耦合，提高光电催化二氧化碳还原的速率。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统，包括透明电解池，透明电解池内设有阳离子交换膜，阳离子交换膜将透明电解池分隔形成阳极室和阴极室；阳极室内设有光阳极和阳极电解液，阴极室内设有光阴极和阴极电解液；所述阳极液为含有机固废和电解质的水溶液，阴极液为含无机碳源的水溶液。

作为本发明实施例的进一步改进，所述光阳极的带隙与光阴极的带隙不相同。

作为本发明实施例的进一步改进，所述光阳极采用N型半导体。

作为本发明实施例的进一步改进，所述光阴极采用P型半导体。

作为本发明实施例的进一步改进，所述光阳极和光阴极上均设有催化剂。

作为本发明实施例的进一步改进，所述光阳极和光阴极上均设有纳米结构。

另一方面，本发明实施例还提供一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原方法，采用上述光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统；所述方法包括以下步骤：

步骤10)准备步骤：将光阳极和光阴极通过铜导线与外部电源连接形成外电路；调节光源位置，使得光线先通过带隙较大的一极，再通过带隙较小的一级；向阳极室中通入N₂后密封，向阴极室中通入CO₂气体后密封；