電催化裝置、太陽能驅(qū)動(dòng)的酶-電催化CO2還原裝置及應(yīng)用

本發(fā)明屬于電催化領(lǐng)域，具體涉及一種電催化裝置、太陽能驅(qū)動(dòng)的酶-電催化co2還原裝置及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，化石能源的過度消耗引發(fā)了全球性的能源危機(jī)和環(huán)境問題(如溫室效應(yīng))。二氧化碳(co2)作為溫室氣體的主要成分，會(huì)導(dǎo)致全球氣候變暖、海洋酸化、冰川融化、海平面上升等問題?？沙掷m(xù)能源的開發(fā)以及co2的捕獲與封存受到廣泛的關(guān)注。利用可再生資源合成化學(xué)品、減少溫室氣體排放和利用大氣中/工業(yè)排放尾氣中的co2是一個(gè)有希望解決能源問題和環(huán)境問題的策略。該策略將co2轉(zhuǎn)化為增值化學(xué)品，可以形成碳匯或閉環(huán)生產(chǎn)系統(tǒng)，具有環(huán)境和工業(yè)效益。

2、電催化技術(shù)在解決全球氣候變化與能源危機(jī)問題中展現(xiàn)出巨大潛力。通過將co2通過電催化過程轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)品，不僅能夠減緩溫室氣體的排放，同時(shí)也為能源供應(yīng)提供了新的途徑。太陽能是清潔、再生和可持續(xù)利用的能源。中國(guó)具有豐富的太陽能資源，每年到達(dá)地表的太陽輻射能約為50×1015mj，各地太陽輻射總3350～8440mj/m2，中值為5860mj/m2。對(duì)太陽能資源進(jìn)行有效開發(fā)與利用對(duì)解決全球的能源危機(jī)、環(huán)境問題有著重要意義。太陽能資源的利用與電催化技術(shù)的結(jié)合，為全球氣候變化和能源危機(jī)提供了一種創(chuàng)新的解決方案。通過太陽能驅(qū)動(dòng)的電催化過程，能夠有效地轉(zhuǎn)化co2，將其轉(zhuǎn)化為具有商業(yè)價(jià)值的化學(xué)品。這一過程不僅充分利用了地球上廣泛分布的太陽能資源，而且通過酶-電催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了co2的高效轉(zhuǎn)化，促進(jìn)了能源的高效利用和碳排放的有效降低。

3、現(xiàn)有技術(shù)針對(duì)光電催化的優(yōu)化主要集中在電極材料的優(yōu)化以及在體系中直接添加酶，例如：以負(fù)載有金納米顆粒的半導(dǎo)體材料為光陽極(cn118086930a)、制備cuo/zno復(fù)合催化劑異質(zhì)結(jié)薄膜作為光陰極(cn118186439a)、構(gòu)建多孔海綿狀e-wo3光陽極-陰極的光電催化系統(tǒng)并利用太陽能板供電(cn116657174a)、在陰極室添加酶與輔酶(cn114405437a)。然而，這些光電催化系統(tǒng)普遍面臨較大的過電位需求，同時(shí)在產(chǎn)物選擇性和催化效率方面表現(xiàn)不足，這些問題限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。此外，游離酶-電催化裝置在實(shí)際應(yīng)用中亦存在穩(wěn)定性不足的問題。酶作為生物催化劑，在電催化過程中的穩(wěn)定性和活性維持是實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。當(dāng)前游離酶-電催化系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，易受環(huán)境因素影響，導(dǎo)致酶活性下降，進(jìn)而影響整個(gè)催化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。針對(duì)這些問題，優(yōu)化催化劑的材料組成與結(jié)構(gòu)、開發(fā)新型的酶固定化技術(shù)有助于降低系統(tǒng)的過電位需求，提高產(chǎn)物選擇性和催化效率以及酶在電催化過程中的穩(wěn)定性和重復(fù)使用性，是推動(dòng)電催化技術(shù)發(fā)展的重要方向。本技術(shù)方案通過優(yōu)化催化劑材料和酶固定化技術(shù)，提高了co2還原反應(yīng)的效率和產(chǎn)物選擇性，同時(shí)增強(qiáng)了酶-電催化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種結(jié)合了可再生能源和先進(jìn)催化技術(shù)的策略，為實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好和經(jīng)濟(jì)可行的化學(xué)合成提供了新途徑，有助于推動(dòng)全球向可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)邁進(jìn)。

4、綜上所述，太陽能驅(qū)動(dòng)的酶-電催化co2還原技術(shù)，以其高效、環(huán)境友好和可持續(xù)性的特點(diǎn)，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化和能源危機(jī)提供了一種具有廣闊應(yīng)用前景的解決方案。這一技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，有望在化學(xué)工業(yè)、能源生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)上述問題，提供一種電催化裝置、太陽能驅(qū)動(dòng)的酶-電催化co2還原裝置及應(yīng)用。

2、本發(fā)明的目的之一在于提供一種電催化裝置，以實(shí)現(xiàn)甲酸合成。

3、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

4、一種電催化裝置，包括陰極室、陽極室、陰極和陽極，所述陰極室和陽極室由質(zhì)子交換膜隔開，所述陰極和陽極分別設(shè)置于所述陰極室和陽極室，所述陽極室設(shè)有電解質(zhì)水溶液，所述陰極室設(shè)有緩沖液，所述陰極經(jīng)碳納米管修飾后固定有甲酸脫氫酶，所述甲酸脫氫酶的蛋白質(zhì)序列如seq?id?no.1。

5、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，還包括參比電極，所述參比電極為ag/agcl電極，所述陽極為ni電極，所述陰極為經(jīng)碳納米管修飾及甲酸脫氫酶固定的熱解石墨電極。

6、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，通過如下步驟制備所述陰極：

7、s1：將碳納米管懸濁液均勻涂至熱解石墨電極表面，在紅外線燈泡下干燥得到碳納米管修飾的熱解石墨電極；

8、s2：將制備得到的碳納米管修飾的熱解石墨電極置于含有甲酸脫氫酶的pbs緩沖液中，20～25℃水浴振蕩器中振蕩30～40min，清洗并凍干完成酶的固定化。

9、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述陽極室中的電解質(zhì)水溶液為na2so4或khco3溶液，濃度為0.1～2mol/l，所述陰極室中的緩沖液組成成分為：100～200mmol/l?2-嗎啉乙磺酸、1～2mol/lnacl、20～50mmol/l?na2co3。

10、本發(fā)明的目的之二在于提供一種太陽能驅(qū)動(dòng)的酶-電催化co2還原裝置，通過太陽能的使用，實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)的能源利用。

11、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

12、一種太陽能驅(qū)動(dòng)的酶-電催化co2還原裝置，包括光伏發(fā)電組件、電壓調(diào)節(jié)器、如上所述的電催化裝置和太陽能蓄電池；所述電催化裝置與所述光伏發(fā)電組件通過所述電壓調(diào)節(jié)器連接，所述太陽能蓄電池與所述電壓調(diào)節(jié)器相連。

13、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述光伏發(fā)電組件為多晶硅光伏發(fā)電板，所述光伏發(fā)電板的尺寸為：長(zhǎng)920～1650mm、寬680～992mm、厚30～50mm，所述光伏發(fā)電板的功率為100～300w。

14、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述太陽能蓄電池為磷酸鐵鋰電池。

15、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述電催化裝置的電壓通過電壓調(diào)節(jié)器控制在0.5～3v。

16、本發(fā)明的目的之三在于提供一種太陽能驅(qū)動(dòng)的酶-電催化co2還原裝置的用途。

17、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

18、如上所述的太陽能驅(qū)動(dòng)的酶-電催化co2還原裝置在甲酸合成中的應(yīng)用。

19、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，太陽能驅(qū)動(dòng)的酶-電催化co2還原裝置在甲酸合成中的應(yīng)用包括以下步驟：

20、對(duì)陰極進(jìn)行碳納米管修飾及甲酸脫氫酶固定處理，將電解質(zhì)水溶液、緩沖液分別加入到電催化裝置中的陽極室和陰極室內(nèi)，太陽能通過光伏發(fā)電板轉(zhuǎn)化為電能，并儲(chǔ)存于太陽能蓄電池中，同時(shí)通過電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)施加于電催化裝置的電壓，co2在陰極室經(jīng)過甲酸脫氫酶的催化與電子結(jié)合產(chǎn)生甲酸。

21、本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后，主要有以下效果：

22、(1)本發(fā)明以碳納米管修飾及甲酸脫氫酶固定后的熱解石墨電極為陰極，有效提高了電極的電化學(xué)性能、增加了有效表面積、提高了酶-電催化裝置的穩(wěn)定性。

23、(2)本發(fā)明采用太陽能光伏發(fā)電板，實(shí)現(xiàn)co2至甲酸的電催化轉(zhuǎn)化，無需外接電源，降低溫室氣體排放。太陽能蓄電池在光照不足時(shí)提供穩(wěn)定電能，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性與效率，實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)的能源利用。

24、(3)本發(fā)明創(chuàng)新性地結(jié)合電催化與酶催化技術(shù)，有效降低co2還原過程中的高過電位需求，減少對(duì)貴金屬的依賴。該技術(shù)顯著提高了還原速率，減少了副產(chǎn)物生成，大幅提升了產(chǎn)甲酸效率，為環(huán)境友好型化學(xué)合成開辟了新途徑。