基于多物理场互耦合的连续流动光电催化制碳氢燃料研究

Photoelectrochemical hydrocarbon fuel generation technology can store solar energy in chemical fuels and enable the recycling of carbon dioxide. Its efficient, stable and continuous flow operation is of great significance. Due to the different spatial and temporal scales of multi-physics-fields, and the gas/liquid two-phase flow at the local environment of reaction interface, this technology belongs to a common technical challenges of interdisciplinary fields. Applicant and his colleagues have previously established a photocatalytic multiphase continuous flow hydrogen production system, and developed the theory and method of multiphase flow energy storage and conversion for photocatalytic hydrogen production. Based on this, this project proposes a studying on the coupling of multi-physics-fields with different time and space scales, and aims to build a continuous flow photocatalytic hydrocarbon fuel system. We hope this project will reveal the mechanism of energy flow and mass flow transmission in the reaction system, reveal the multi-physics-fields coupling relationship of different time and space scales, form the building theory of continuous flow photoelectrochemical hydrocarbon fuel generation system, and realize efficient, stable and continuous flow photoelectrochemical hydrocarbon fuel generation. The results of this project will promote the integration of energy and related disciplines and make up for the “shortcomings” in the field of photoelectrochemical hydrocarbon fuel generation.

光电催化制碳氢燃料技术能够将太阳能存储在稳定的化学能中，并实现二氧化碳的资源化再利用，其高效、稳定、连续流动运行具有重要意义。由于涉及不同时空尺度的多物理场互耦合，且反应界面局部环境为气液两相流，该技术属于多个基础学科领域交叉的共性难题。申请人及合作者前期已构建了光催化多相流连续制氢系统，发展了光催化制氢的多相流能质传输集储与转化理论及方法。基于此，本项目拟通过不同时空尺度的多物理场互耦合研究，构建连续流动光电催化制碳氢燃料系统。通过本项目的研究，可揭示反应体系内能量流和物质流的传输强化机制，探明不同时空尺度的多物理场耦合匹配关系，形成连续流动光催化制燃料体系的构建理论，继而实现高效、稳定、连续流动光电催化制碳氢燃料的目的。研究结果将促进能源与相关学科知识的融会贯通，弥补光电催化制碳氢燃料研究领域内的“短板”。

本项目围绕光电催化制碳氢燃料领域内基础和应用研究，提出了通过不同时空尺度的多物理场互耦合研究，构建连续流动光电催化制碳氢燃料系统，揭示反应体系内能量流和物质流的传输强化机制，探明不同时空尺度的多物理场耦合匹配关系，形成连续流动光催化制燃料体系的构建理论，继而实现高效、稳定、连续流动光电催化制碳氢燃料的研究目的。通过项目的实施，本项目在理方面，构建了CO2还原反应界面多物理场分析模型，并从CO2稀物质传递场、支撑反应液流场、反应体系电势场等全面分析了CO2还原反应体系内能量损失，揭示强化光电催化CO2还原反应体系能量流和物质流的方法，拓展了光电催化CO2还原反应体系能量有序转化理论的应用。在技术方面，本项目还自主设计并搭建了平板光电催化CO2还原反应装置，完成了技术推广应用前的技术验证。基于以上研究成果，发表第一标注SCI论文4篇，第三标注SCI论文1篇，第二标注EI论文1篇（已接收未出版），授权发明专利4项；完成5项本科毕设设计，10名硕士和博士研究生正在开展太阳能制碳氢燃料相关研究工作。本项目全面开展了既定研究计划，并完实施过程中依据课题进展情况作了一些拓展研究，完成了研究目标。