CN115418247B - 一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，包括：用于捕集和提纯大气中二氧化碳的捕集与提纯模块，用于收集及传输太阳能的光热加热模块，用于接收二氧化碳和氢气进行催化反应的热电促进催化反应模块；捕集与提纯模块与所述热电促进催化反应模块之间连接有第一管路；捕集与提纯模块捕集大气中的二氧化碳生成富含二氧化碳的离子液体，并基于离子液体释放出提纯的二氧化碳，经过第一管路送至热电促进催化反应模块；光热加热模块与所述热电促进催化反应模块相连接的设置，用于将收集的太阳能传输至热电促进催化反应模块；第一管路设置有氢气输入支管路；热电促进催化反应模块接收二氧化碳和氢气并进行催化反应生成甲烷燃料。

Description

一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统
技术领域
本发明涉及燃料制备系统领域，尤其涉及一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统。
背景技术
随着航天技术的迅速发展，人类对地外天体的探索已经不仅仅停留在月球时代，登陆更远的地外天体是今后深空探测任务的必由之路。在人类早期对火星的探索过程中发现，火星的表面有着沟壑纵横的河床痕迹，土壤分析也表明火星之前也曾有过水和氧气。火星的这些特征不断激励着人类对其进行探索。液氧/甲烷发动机是执行火星探测任务的最佳选择之一。而火星大气中约95％是CO2，这是氧和碳的主要来源，也是原位制备燃料的物质基础。通过逆水气转换反应结合萨巴蒂尔反应，将CO2中的碳、氧分离(CO2+H2→CH4+H2O，H2O→H2+O2)，生成的CH4和O2是宝贵的液氧-甲烷(LOX/CH4)液体火箭燃料，可直接用于火星表面上升飞行器动力系统，进而实现空间燃料的补给。
火星大气中的CO2和吸附在土壤和地下水冰上的水都属于火星原位物质资源，而太阳能是火星上主要的原位能量资源。但是，火星的平均太阳光强只有地球的0.43，此外，火星的光强随着与太阳的距离变化还会有±19％的波动。火星上的太阳能很难利用，并且非常宝贵。太阳能全光谱分为长波部分(红外光，约占太阳辐射能的42％)和短波部分(紫外和可见光，约占太阳辐射能的58％)。其中短波部分主要用于光伏发电，而长波部分则无法用于发电，只能使太阳能电池板发热而白白浪费，导致发电系统效率和使用寿命受到严重影响。因此，有效利用太阳能中全光谱能量对于火星资源原位利用是至关重要的。
CO2甲烷化技术是地球上CO2资源循环再利用的常用手段。由于CO2分子的热力学稳定性，在CO2转化过程中需要有效的催化作用。常用的催化手段主要包括：热催化、电催化、光催化以及光热和光电催化。由于前两者都需要额外的热能和电能的输入，尤其是在火星上使用这种催化方式会加重资源使用的负担。光化学CO2转化是一种新兴的可持续技术，由最广泛可用和可行的可再生能源——太阳能驱动。以CO2为原料将太阳光驱动能量转化为燃料引起了广泛关注。因此，利用太阳能光作为能源输入的光催化或光热/电催化是未来火星CO2甲烷化原位利用的重点发展方向。光催化技术利用清洁可再生太阳能直接转化为化学能，兼顾能源、环境和经济要求，是最具前景的绿色转化技术。目前，光催化还原CO2的研究主要集中在实验室规模，距离规模化实际应用还面临诸多问题。光热和光电催化则是通过将太阳能转化为热能和电能，再进行相应的催化反应，其最终本质还是热催化和电催化。太阳能中的长波和短波部分都可考虑用于CO2的催化，但是阴极CO2电催化还原，效率还会受到阳极半反应(通常为析氧反应)的影响，整个电解体系中阳极上的电能损耗可高达90％。因此，利用太阳能中的光电部分来制备甲烷不是首选之举，这些电能我们可以在其他地方更好地加以利用。充分利用太阳能中的光热部分来进行CO2的原位甲烷化是一条可行之径。
利用热电(TE)材料作为催化剂载体和促进剂原位调节催化活性是热催化领域出现的新方法。当用热电材料作催化剂载体，并且TE材料之间存在较大的温差时产生了塞贝克电压，能够大幅度提高催化剂的催化活性，这一现象称为热电促进催化(TEPOC)效应。由于塞贝克电压的存在，热电载体材料和催化剂颗粒的有效功函数都显著降低，从而大幅度提高催化活性。在乙烯氧化和CO2加氢反应中验证了反应速率和塞贝克电压的指数增长关系，这种反应速率的提升是传统的热催化和电催化所达不到的。基于热电促进催化的催化剂体系有望用于火星CO2原位甲烷化，维持其热端所需要热量完全可以有太阳能中的光热部分提供，可以将其光热部分有效利用，提高火星资源原位利用的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统。
为实现上述发明目的，本发明提供一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，包括：用于捕集和提纯大气中二氧化碳的捕集与提纯模块，用于收集及传输太阳能的光热加热模块，用于接收二氧化碳和氢气进行催化反应的热电促进催化反应模块；
所述捕集与提纯模块与所述热电促进催化反应模块之间连接有第一管路；
所述捕集与提纯模块捕集大气中的二氧化碳生成富含二氧化碳的离子液体，并基于所述离子液体释放出提纯的二氧化碳，释放出的所述二氧化碳经过所述第一管路送至所述热电促进催化反应模块；
所述光热加热模块与所述热电促进催化反应模块相连接的设置，用于将收集的太阳能传输至所述热电促进催化反应模块；
所述第一管路设置有用于混入氢气的氢气输入支管路；
所述热电促进催化反应模块接收所述二氧化碳和所述氢气并进行催化反应生成甲烷燃料。
根据本发明的一个方面，所述捕集与提纯模块包括：第一过滤单元，第二过滤单元和离心风机；
所述第一过滤单元，所述第二过滤单元和所述离心风机依次连接；
所述第一过滤单元用于对外界大气进行一次过滤；
所述第二过滤单元用于对外界大气进行二次过滤并通入离子液体吸收外界大气中的二氧化碳，生成富含二氧化碳的离子液体，以及对所述离子液体进行热处理提纯出其中的二氧化碳；
所述第一管路与所述第二过滤单元相连接。
根据本发明的一个方面，所述第一过滤单元包括：两端开口且中空的直筒，设置在所述直筒的第一过滤结构和第二过滤结构；
所述第一过滤结构采用蜂窝器结构，所述第二过滤结构采用过滤网结构；
所述第二过滤单元包括：第三过滤结构，处于所述第三过滤结构上侧的液体分布装置，处于所述第三过滤结构下侧的液体回收装置；
所述第三过滤结构包括：连接框体和设置在所述连接框体中间位置的过滤网；
所述液体分布装置用于向所述第三过滤结构输送离子液体；
所述离子液体淋湿所述过滤网并沿所述过滤网流入所述液体回收装置；
所述液体回收装置与所述第一管路相连通。
根据本发明的一个方面，所述光热加热模块包括：第一聚光器和第二聚光器；
所述第一聚光器为反射式聚光器，所述第二聚光器为折射式聚光器；
所述第一聚光器与所述第二聚光器具有间隔的设置在所述第二聚光器的下方；
所述热反射镜用于将太阳光中的红外光反射至所述第二聚光器；
所述第二聚光器连接在所述热电促进催化反应模块的下侧，用于将所述第一聚光器传输的红外光导入至所述热电促进催化反应模块。
根据本发明的一个方面，所述第一聚光器包括：可反射红外光并透射可见光和紫外光的热反射镜和太阳能双轴跟踪支架；
所述热反射镜为旋转抛物面式反射镜，其固定支撑在所述太阳能双轴跟踪支架上；
所述第二聚光器处于所述热反射镜的反射焦点上。
根据本发明的一个方面，所述光热加热模块还包括：光伏发电装置；
所述光伏发电装置设置在所述热反射镜的下方，用于接收所述热反射镜透射的可见光和紫外光。
根据本发明的一个方面，所述热电促进催化反应模块包括：吸热结构，催化反应结构，冷却结构，输入管路和输出管路；
所述吸热结构为下端开口，上端封闭的金属筒；
所述催化反应结构包括：两端开口的热电陶瓷筒；
所述热电陶瓷筒的内壁负载有过渡金属助剂；
所述吸热结构与所述催化反应结构同轴的设置在所述催化反应结构内，且所述吸热结构与所述催化反应结构之间具有间隔的构成反应腔；
所述冷却结构设置在所述催化反应结构的外侧；
所述输入管路与所述催化反应结构的下端相连接，并与所述反应腔相连通；
所述输出管路与所述催化反应结构的上端相连接，并与所述反应腔相连通；
所述输入管路与所述第一管路相连接；
所述第二聚光器与所述吸热结构的下端同轴的连接。
根据本发明的一个方面，所述过渡金属助剂为金属颗粒，且所述过渡金属助剂的粒径为2～10nm。
根据本发明的一个方面，吸热结构采用金属钨制成；
所述热电陶瓷筒采用热电材料BiCuSeO陶瓷制成；
所述过渡金属助剂采用纳米金属Pt颗粒。
根据本发明的一个方面，所述离子液体采用AZ-3离子液体，或者，采用1-丁基-3-甲基咪唑乙酸盐溶液。
根据本发明的一种方案，本发明具有简单高效的火星大气CO2收集提纯效果。具体的，采用捕集与提纯模块对火星大气进行除尘的同时还可在内部进一步设置二次过滤结构；此外，在二次过滤结构上分布离子液体进行滤网浸润，在气体经过滤网时与离子液体充分接触，使得大气中的二氧化碳被充分吸收，有效提高了二氧化然的吸收量，同时还实现了二氧化碳与其他气体分离，实现了二氧化碳的提纯，极大的提高了二氧化碳的分离和提纯效果。
根据本发明的一种方案，本发明提供了一套着眼于地外能量资源与物质资源充分利用的系统，是一种在火星高效原位制备碳氢燃料的新颖方案，可用于解决未来人类在其他天体上长期生存和深空往返推进运输的物质供给，节省地外天体探测成本。
根据本发明的一种方案，本发明的光热加热模块收集及传输太阳能的效率更优。具体的，基于航天太阳光热推进器结构，创新性设计一次聚光器与二次聚光器结构。一次聚光器由太阳能双轴跟踪支架和旋转抛物面式热反射镜组成，具有功率高、聚光比高、质量轻和体积小的优点，利用热反射镜分离太阳光，通过热镜透射得到的紫外和可见光为光伏发电所用，反射红外光用于光热系统供能；二级聚光器采用折射式结构设计，具有较高的光学效率和更均衡的能量输出分布，使得太阳能的传输效率更高，加热性能更好。
根据本发明的一种方案，本发明通过光热加热模块实现了对太阳能的全光谱利用，实现了本发明光-热-电耦合催化CO2转化燃料技术。
根据本发明的一种方案，本发明的热电促进催化反应模块能够对太阳光中用于光伏发电以外的长波部分进行充分利用，通过热电材料的塞贝克效应，降低了活性纳米金属颗粒的表面功函数，以指数式提升了反应速率。
根据本发明的一种方案，本发明的捕集与提纯模块中通过采用AZ-3离子液体吸收大气中的二氧化碳的方式，可以实现在温度200k，压强0.8kPa的环境下稳定且大量的吸收二氧化碳，更加适应火星环境，保证了本发明的运行可靠性。
附图说明
图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的火星原位合成碳氢燃料系统的立体图；
图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的光热加热模块的立体图；
图3是示意性表示根据本发明的一种实施方式的第一过滤单元的正视图；
图4是示意性表示根据本发明的一种实施方式的第二过滤单元和离心风机的组合结构图；
图5是示意性表示根据本发明的一种实施方式的第一聚光器的立体图；
图6是示意性表示根据本发明的一种实施方式的光热加热模块的分光原理图；
图7是示意性表示根据本发明的一种实施方式的热电促进催化反应模块的结构图；
图8是示意性表示根据本发明的一种实施方式的热电促进催化反应模块中气体流动方向图；
图9是示意性表示根据本发明的一种实施方式的热电促进催化反应模块中气体反应原理图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，包括：用于捕集和提纯大气中二氧化碳的捕集与提纯模块1，用于收集及传输太阳能的光热加热模块2，用于接收二氧化碳和氢气进行催化反应的热电促进催化反应模块3。在本实施方式中，捕集与提纯模块1与热电促进催化反应模块3之间连接有第一管路4；捕集与提纯模块1捕集大气中的二氧化碳生成富含二氧化碳的离子液体，并基于离子液体释放出提纯的二氧化碳，释放出的高纯度二氧化碳经过第一管路4送至热电促进催化反应模块3。在本实施方式中，光热加热模块2与热电促进催化反应模块3相连接的设置，用于将收集的太阳能传输至热电促进催化反应模块3。在本实施方式中，第一管路4设置有用于混入氢气的氢气输入支管路41，进而可实现热电促进催化反应模块3接收二氧化碳和氢气的混合气体并进行催化反应生成甲烷燃料。
结合图1、图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，由于火星大气具有低压(500-700Pa)，低密度(大约为地球大气密度的1％)的特点，且其大气中包含95.32％的CO2和5％的其他气体(2.7％的N2，1.6％的Ar等)。此外，火星表面还有大量的尘土。因此在对火星大气中二氧化碳(CO2)进行捕集时，要进行提纯和除尘。在本实施方式中，捕集与提纯模块1可基于小型低速风洞进行改造获得，其包括：第一过滤单元11，第二过滤单元12和离心风机13。其中，第一过滤单元11，第二过滤单元12和离心风机13依次连接，通过离心风机13的运行，可以使得外界大气依次通过第一过滤单元11，第二过滤单元12实现过滤和大气中二氧化碳的吸收提纯。进而，在本实施方式中，第一过滤单元11用于对外界大气进行一次过滤，用于滤除大气中所含有的大量灰尘，第二过滤单元12用于对外界大气进行二次过滤并通入离子液体吸收外界大气中的二氧化碳，生成富含二氧化碳的离子液体，以及对离子液体进行热处理提纯出其中的二氧化碳。在本实施方式中，第一管路4与第二过滤单元12相连接，通过第一管路4即可将收集并提纯出的二氧化碳送至下游的热电促进催化反应模块3进行催化反应。
结合图1、图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，第一过滤单元11包括：两端开口且中空的直筒111，设置在直筒111的第一过滤结构和第二过滤结构。在本实施方式中，第一过滤结构采用蜂窝器结构，第二过滤结构采用过滤网结构。通过上述设置可有效的滤除大气中含有的大量灰尘。
在本实施方式中，第二过滤单元12包括：第三过滤结构121，处于第三过滤结构121上侧的液体分布装置122，处于第三过滤结构121下侧的液体回收装置123。在本实施方式中，第二过滤单元12通过第三过滤结构121的前后两侧分别与第一过滤单元11和离心风机13进行密封连接，保证了结构的整体稳定性和密封性。
在本实施方式中，第三过滤结构121包括：连接框体121a和设置在连接框体121a中间位置的过滤网121b。在本实施方式中，液体分布装置122用于向第三过滤结构121输送离子液体；具体的，液体分布装置122为中空结构，其可通过管路与外界的离子液体源相连接，通过不断的注入离子液体以实现对过滤网121b不断的供液。在本实施方式中，在液体分布装置122的底部设置有供离子液体流出的通道，且该通道与过滤网121b的上端是相对的，进而可方便的将离子液体流到过滤网121b上，以实现对过滤网121b的浸润，进而有效的使得与通过过滤网121b的大气充分接触，尤其是在通过过滤网121b时大气流动速度会被有效的降低，进而在充分保证了接触面积的情况下还有效的保持了相对较长的接触时间，进而使得分布在过滤网121b上的离子液体充分吸收经过的大气中的二氧化碳，保证了二氧化碳的吸收效率。在本实施方式中，为保证离子液体的稳定流动和具有良好的吸附性能，在输入至第三过滤结构121时，可对离子液体进行预热处理，以适应其所应用的环境。
在本实施方式中，离子液体淋湿过滤网121b并沿过滤网121b流入液体回收装置123；在本实施方式中，液体回收装置123为中空结构，其上侧设置有与过滤网121b下端相对的开口，以方便过滤网121b上的离子液体流入其中进行收集。在本实施方式中，在第二过滤单元12进行二氧化碳的捕集和提纯采用变温吸脱附过程，进而，在液体回收装置123可相应设置对富含二氧化碳的离子液体进行热处理的加热装置，通过对离子液体加热至预设的温度，即可实现其中富含的二氧化碳被释放出来，以进一步通过与液体回收装置123相连通的第一管路4将提纯出的二氧化碳顺利输出。
此外，需要注意的是，为适应在火星环境中的应用，以及保证离子液体在循环过程中的充分流动，可对第二过滤单元12进行相应的保温或加热设置，以保证其运行的稳定可靠。
根据本发明的一种实施方式，离子液体由有机阴阳离子构成的物质，常温下为液体。在本实施方式中，离子液体采用AZ-3离子液体(参见科技成果报告：《AtmosphericCapture On Mars(and Processing)》，Muscatello,T，The Technology and Future ofIn-Situ Resource Utilization(ISRU)Seminar)，或者，离子液体采用1-丁基-3-甲基咪唑乙酸盐溶液[BMIM][Ac](参见《Low-Pressure CO2 Capture Using Ionic Liquids toEnable Mars Propellant Production》，MA Lotto，JA Nabity，DM Klaus，2020)，其在常温常压下具有较高的CO2吸附容量，进一步提高了本发明对大气中二氧化碳的吸收效率。
结合图1、图2、图5和图6所示，根据本发明的一种实施方式，光热加热模块2主要功能是使太阳能聚焦并改变传播方向到热电促进催化反应模块3以便对热电材料进行加热，作为太阳能光热系统的重要部件，决定着供给能量的大小，并影响着整个系统的光热转换效率。具体的，光热加热模块2包括：第一聚光器21和第二聚光器22。在本实施方式中，第一聚光器21为反射式聚光器，第二聚光器22为折射式聚光器；第一聚光器21与第二聚光器22具有间隔的设置在第二聚光器22的下方。在本实施方式中，热反射镜211用于将太阳光中的红外光反射至第二聚光器22。在本实施方式中，第二聚光器22连接在热电促进催化反应模块3的下侧，用于将第一聚光器21传输的红外光导入至热电促进催化反应模块3。
结合图1、图2、图5和图6所示，根据本发明的一种实施方式，第一聚光器21包括：可反射红外光并透射可见光和紫外光的热反射镜211和太阳能双轴跟踪支架212。在本实施方式中，热反射镜211为旋转抛物面式反射镜，其固定支撑在太阳能双轴跟踪支架212上；第二聚光器22处于热反射镜211的反射焦点上。
通过上述设置，第一聚光器21采用旋转抛物面式反射镜，具有良好的聚光特性，能把平行于光轴的入射光线汇聚在焦点上，具有功率高、聚光比高、质量轻和体积小的优点。此外，跟踪支架采用双轴式设计，可朝各个方向转动，能够全方位对太阳光进行瞄准跟踪。
结合图1、图2、图5和图6所示，根据本发明的一种实施方式，第二聚光器22作为系统中进一步的能量传输与聚集系统，其目的在于使经第一聚光器21聚焦后的光线进一步聚焦，既可以进一步提高聚光比，并适应热电促进催化反应模块3内辐射换热的要求，又降低了第一聚光器21对聚光比的要求，同时降低了系统对太阳光瞄准定向、跟踪的要求。在本实施方式中，第二聚光器22采用折射式结构设计，通过入射光线在不同介质间的折射和全内反射将能量聚集传输到吸热器中，具有较高的光学效率和更均衡的能量输出分布。在本实施方式中，第二聚光器22整体呈一个椎体结构，在内部设置有实现光线聚焦的透镜，能够将发散的太阳光聚集，然后充分用于加热，其功能特点类似于一个凸透镜，起到聚光的效果。在本实施方式中，通过将第二聚光器22整体设置为一个椎体结构，可使得光束在内部的全反射，保证光全部用于吸热结构31的加热
结合图1、图2、图5和图6所示，根据本发明的一种实施方式，光热加热模块2还包括：光伏发电装置23。在本实施方式中，光伏发电装置23设置在热反射镜211的下方，用于接收热反射镜211透射的可见光和紫外光，进而可实现光伏发电，可用于本方案中的其他装置供电。
结合图1、图2、图7和图8所示，根据本发明的一种实施方式，热电促进催化反应模块3包括：吸热结构31，催化反应结构32，冷却结构33，输入管路34和输出管路35。在本实施方式中，吸热结构31为下端开口，上端封闭的金属筒。例如，吸热结构31可设置为下端开口，上端封闭的直圆筒，且其封闭端可设置为球面。在本实施方式中，催化反应结构32包括：两端开口的热电陶瓷筒321；其中，热电陶瓷筒321的内壁负载有过渡金属助剂322。通过在热电陶瓷筒321的内壁(即热端)上负载过渡金属助剂322的方式，构成负载型催化剂，不仅有利于反应的进行，还有利于利用硬质的热电陶瓷筒321和吸热结构31构成热电促进催化反应模块3的主体结构，其结构设置简单且反应效率高。在本实施方式中，吸热结构31与催化反应结构32之间的间隔可根据实际使用时所需甲烷生产效率进行确定。
在本实施方式中，吸热结构31与催化反应结构32同轴的设置在催化反应结构32内，且吸热结构31与催化反应结构32之间具有间隔的构成反应腔。在本实施方式中，输入管路34与催化反应结构32的下端相连接，并与反应腔相连通；输出管路35与催化反应结构32的上端相连接，并与反应腔相连通。
在本实施方式中，冷却结构33设置在催化反应结构32的外侧；在本实施方式中，冷却结构33可采用铜管在催化反应结构32的外侧螺旋缠绕形成，用于对催化反应结构32进行降温冷却。在本实施方式中，冷却结构33中可通入冷却液或外界大气实现对催化反应结构32的冷却。
在本实施方式中，输入管路34与第一管路4相连接。
在本实施方式中，第二聚光器22与吸热结构31的下端同轴的连接，从而实现了外界太阳能的输入。
根据本发明的一种实施方式，吸热结构31采用金属钨制成，通过采用钨金属支撑的吸热结构，其具有很高的太阳能光热吸收率，有效的保证了对第二聚光器22所输入的红外光的转换能力，进而可以充分保证催化反应结构32的能量需求；此外，通过采用钨金属制成的吸热结构31其耐高温性能优异，可充分保证在高温下的结构稳定性和结构强度，进而对保证本发明的热电促进催化反应模块3的工作稳定性和使用寿命有益。
结合图1、图2、图7、图8和图9所示，根据本发明的一种实施方式，热电陶瓷筒321其主要功能是吸收高密度的太阳能辐射能，将光能转化成热能，具体的，吸热结构31将太阳能吸收转换为辐射能，并传递至热电陶瓷筒321，使热电陶瓷筒321的内壁(即热端)温度升高，从而完成能量的吸收与转换过程。在本实施方式中，热电陶瓷筒321采用热电材料BiCuSeO陶瓷(即BCSO陶瓷)制成。在高温下具有良好的热电性能，其本征导热系数非常低，小于0.5Wm-1K-1，进而使得热电陶瓷筒321很容易产生高温差；而且其塞贝克系数在室温高达500μV K-1，在高温下大于300μV K-1，在773K以下无分解。
在本实施方式中，过渡金属助剂322为金属颗粒，且过渡金属助剂322的粒径为2～10nm。通过上述设置的过渡金属助剂可方便的在热电陶瓷筒上均布，且可保证与反应气体的充分接触提高反应效率。
在本实施方式中，过渡金属助剂采用纳米金属Pt颗粒。进而通过在热电陶瓷筒321内表面(即热端)负载纳米Pt颗粒，构成Pt@BCSO负载型催化剂，进而当CO2和H2流经热端表面时，CO2被催化还原为CH4。BCSO陶瓷是P型材料，在热电陶瓷筒321两端形成温度差时，空穴载流子由高温段流向低温段，形成电势差，进而在内部产生塞贝克电压，降低了纳米Pt颗粒表面的功函数。由于催化剂的催化速率依赖于功函数，此时可以表示为Ln(r/r0)＝γeV/kbTh＝γeS(Th-Tc)/kbTh，其中γ是常数，可由实验曲线拟合所得，r0为开路时的反应速率。塞贝克电压的产生可使得反应速率呈指数式提高，从而提升整个系统的甲烷燃料制备效率。
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，其特征在于，包括：用于捕集和提纯大气中二氧化碳的捕集与提纯模块（1），用于收集及传输太阳能的光热加热模块（2），用于接收二氧化碳和氢气进行催化反应的热电促进催化反应模块（3）；
所述捕集与提纯模块（1）与所述热电促进催化反应模块（3）之间连接有第一管路（4）；
所述捕集与提纯模块（1）捕集大气中的二氧化碳生成富含二氧化碳的离子液体，并基于所述离子液体释放出提纯的二氧化碳，释放出的所述二氧化碳经过所述第一管路（4）送至所述热电促进催化反应模块（3）；
所述光热加热模块（2）与所述热电促进催化反应模块（3）相连接的设置，用于将收集的太阳能传输至所述热电促进催化反应模块（3）；
所述第一管路（4）设置有用于混入氢气的氢气输入支管路（41）；
所述热电促进催化反应模块（3）接收所述二氧化碳和所述氢气并进行催化反应生成甲烷燃料；
所述捕集与提纯模块（1）包括：依次连接的第一过滤单元（11），第二过滤单元（12）和离心风机（13）；
所述第一过滤单元（11）用于对外界大气进行一次过滤；
所述第二过滤单元（12）用于对外界大气进行二次过滤并通入离子液体吸收外界大气中的二氧化碳，生成富含二氧化碳的离子液体，以及对所述离子液体进行热处理提纯出其中的二氧化碳；
所述第一管路（4）与所述第二过滤单元（12）相连接；
所述光热加热模块（2）包括：第一聚光器（21）和设置于所述第一聚光器（21）上方的第二聚光器（22）；
所述第一聚光器（21）包括：可反射红外光并透射可见光和紫外光的热反射镜（211）；
所述热反射镜（211）用于将太阳光中的红外光反射至所述第二聚光器（22）；
所述第二聚光器（22）连接在所述热电促进催化反应模块（3）的下侧，用于将所述第一聚光器（21）传输的红外光导入至所述热电促进催化反应模块（3）；
所述热电促进催化反应模块（3）包括：吸热结构（31），催化反应结构（32），冷却结构（33），输入管路（34）和输出管路（35）；
所述吸热结构（31）为下端开口，上端封闭的金属筒；
所述吸热结构（31）与所述催化反应结构（32）同轴的设置在所述催化反应结构（32）内，且所述吸热结构（31）与所述催化反应结构（32）之间具有间隔的构成反应腔；
所述冷却结构（33）设置在所述催化反应结构（32）的外侧；
所述输入管路（34）与所述催化反应结构（32）的下端相连接，并与所述反应腔相连通；
所述输出管路（35）与所述催化反应结构（32）的上端相连接，并与所述反应腔相连通；
所述输入管路（34）与所述第一管路（4）相连接；
所述第二聚光器（22）与所述吸热结构（31）的下端同轴的连接。
2.根据权利要求1所述的面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，其特征在于，所述第一过滤单元（11）包括：两端开口且中空的直筒（111），设置在所述直筒（111）的第一过滤结构和第二过滤结构；
所述第一过滤结构采用蜂窝器结构，所述第二过滤结构采用过滤网结构；
所述第二过滤单元（12）包括：第三过滤结构（121），处于所述第三过滤结构（121）上侧的液体分布装置（122），处于所述第三过滤结构（121）下侧的液体回收装置（123）；
所述第三过滤结构（121）包括：连接框体（121a）和设置在所述连接框体（121a）中间位置的过滤网（121b）；
所述液体分布装置（122）用于向所述第三过滤结构（121）输送离子液体；
所述离子液体淋湿所述过滤网（121b）并沿所述过滤网（121b）流入所述液体回收装置（123）；
所述液体回收装置（123）与所述第一管路（4）相连通。
3.根据权利要求2所述的面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，其特征在于，所述第一聚光器（21）为反射式聚光器，所述第二聚光器（22）为折射式聚光器。
4.根据权利要求3所述的面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，其特征在于，所述第一聚光器（21）还包括：太阳能双轴跟踪支架（212）；
所述热反射镜（211）为旋转抛物面式反射镜，其固定支撑在所述太阳能双轴跟踪支架（212）上；
所述第二聚光器（22）处于所述热反射镜（211）的反射焦点上。
5.根据权利要求4所述的面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，其特征在于，所述光热加热模块（2）还包括：光伏发电装置（23）；
所述光伏发电装置（23）设置在所述热反射镜（211）的下方，用于接收所述热反射镜（211）透射的可见光和紫外光。
6.根据权利要求5所述的面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，其特征在于，所述催化反应结构（32）包括：两端开口的热电陶瓷筒（321）；
所述热电陶瓷筒的内壁负载有过渡金属助剂（322）。
7.根据权利要求6所述的面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，其特征在于，所述过渡金属助剂（322）为金属颗粒，且所述过渡金属助剂（322）的粒径为2～10nm。
8.根据权利要求7所述的面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，其特征在于，吸热结构（31）采用金属钨制成；
所述热电陶瓷筒（321）采用热电材料BiCuSeO陶瓷制成；
所述过渡金属助剂采用纳米金属Pt颗粒。
9.根据权利要求8所述的面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，其特征在于，所述离子液体采用AZ-3离子液体，或者，采用1-丁基-3-甲基咪唑乙酸盐溶液。
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