CO2光还原到 CH4在集中太阳光下的性能
Summary
我们提出了一种方案,通过集中太阳能技术提高事件光强度,提高CO2光还原到CH4的性能。
Abstract
我们演示了一种增强 CO2光还原的方法。由于光催化反应的驱动力来自太阳光,其基本思想是利用浓度技术提高事件太阳光强度。将大面积光集中在小区域不仅可以增加光强度,而且会减少催化剂的量和反应器的体积,并增加表面温度。光的浓度可以通过不同的设备来实现。在这份手稿中,它是通过菲涅尔镜头实现的。光线穿透透镜,并集中在圆盘形催化剂上。结果表明,反应率和总收率均得到有效提高。该方法可应用于大多数CO2光还原催化剂,以及自然光下反应率低的类似反应。
Introduction
化石燃料的利用伴随着大量的二氧化碳排放,极大地促进了全球变暖。CO2的捕获、存储和转换对于减少大气中的 CO2 含量至关重要。CO2光还原为碳氢化合物可以减少CO2,将CO2转化为燃料,并节省太阳能。然而,CO2是一个非常稳定的分子。其C+O键具有更高的解散能量(约750kJ/mol)2。这意味着 CO2很难被激活和转换,并且只有高能量的短波长光才能在过程中发挥作用。因此,CO2光还原研究目前转化效率和反应率较低。在TiO2催化剂3,4中,大多数报告的CH4收率仅在几个μmol_gcata-1μh-1水平上。 设计和制造具有高转化效率和CO2减排反应率的光催化系统仍然是一个挑战。
CO2光还原催化剂的一个热门研究领域是扩大可用光带到可见光谱,并提高这些波长5,6的利用效率。相反,在这份手稿中,我们试图通过提高光强度来提高反应速率。由于光催化反应的驱动力是太阳光,其基本思想是利用浓度技术提高射焦太阳光强度,从而提高反应速率。这类似于热催化过程,其中反应速率可以通过增加温度来提高。当然,温度效应不能无限增加,同样与光强度一样;这项研究的一个主要目标是找到一个合适的光强度或浓度比。
这不是第一个使用集中技术的实验。事实上,它已被广泛用于集中太阳能和废水处理7,8。生物材料,如山毛木锯屑可以在太阳反应堆9,10中进行热解。以前的一些报告提到CO2光还原方法11,12,13。当光强度翻倍14时,一个样品显示出产品产量增加50%。我们的小组发现,集中光可以提高CH4的收率,强度提高12倍。此外,在反应前通过集中光对催化剂进行预处理可进一步提高CH4的收率15。在这里,我们详细演示了实验系统和方法。
Protocol
警告:请在操作前查阅所有相关的材料安全数据表 (MSDS)。几种化学品易燃且具有高度腐蚀性。聚光会导致有害的光强度和温度升高。请使用所有适当的安全设备,如个人防护设备(安全眼镜、手套、实验室外套、裤子等)。 1. 催化剂制备 通过阳极氧化制备TiO2注意:阳极氧化使用金属箔和 Pt 箔作为两个计数器电极。两个电极被放入电解质中。…
Representative Results
原来的光催化反应器系统主要包括两个组件,一个Xe灯和一个不锈钢缸反应器。对于集中式轻反应器系统,我们添加了一个菲涅尔透镜和一个催化剂支架,如图1所示。菲涅尔透镜用于将光线集中在较小的区域。由于光已经集中,催化剂必须放置在一个照明区域;因此,催化剂被制成圆盘形状,并用于保持该区域的催化剂。 <p class="jove_content" fo:keep-together.withi…
Discussion
聚光光可减小光照事件区域,需要使用圆盘形催化剂或所谓的固定床反应器来容纳催化剂。由于光源通常是圆形灯,催化剂的形状也应是圆形的。为了获得圆形圆盘,可以通过片片将粉末压入圆盘,或通过阳极氧化将金属箔制成氧化物。阳极氧化法利用电将金属氧化为氧化物半导体。由于金属前体已经是薄片或箔,氧化后可以更容易地修剪,而不会破坏它。
需要考虑的另一个因素是?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了中国自然科学基金(第21506194号,21676255号)的支持。
Materials
| Ti foil, 99.99% | Hebei Metal Technology Co., Ltd. | ||
| Pt foil, 99.99% | Tianjin Aida Henghao Technology Co., Ltd. | ||
| Ammonium fluoride, 98% | Aladdin | A111758 | Humidity sensitive |
| Glycol, >99.9% | Aladdin | E103323 | |
| Anhydrous ethanol,>99.9% | Aladdin | E111977 | Flammable |
| Acetone, >99.5% | Hangzhou Shuanglin Chemical Co., Ltd. | 200-662-2 | Irritating smell |
| Nitric acid, 65.0%-68.0% | Hangzhou Shuanglin Chemical Co., Ltd. | 231-714-2 | Humidity sensitive |
| Hydrogen peroxide, 30 wt. % in H2O | Aladdin | H112515 | Strong oxidative |
| Urea, 99% | Aladdin | U111897 | |
| De-ionized water, 99.00% | Laboratory made | ||
| Xe lamp, CELHXF300/CELHXUV300 | Beijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd. | ||
| Stainless cylinder reactor, CEL-GPPC | Beijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd. | ||
| Fresnel lens, MYlens | Meiying Technology Co., Ltd. | ||
| 7000 mesh sandpaper | Zibo Taichuan Abrasives Co., Ltd. | ||
| Ultrasonic cleaner, SK2210HP | Shanghai Kedao Ultrasonic Instrument Co., Ltd. | ||
| Thermostatical water bath, DF-101S | Boncie Instrument Technology Co., Ltd. | ||
| Alligator clip | Guangzhou Rongyu Co., Ltd. | ||
| DC constant voltage source, DY-150V 2A | Shanghai Anding Electric Co., Ltd. | ||
| Muffle furnace, KSL-1200X | Hefei Kejing Materials Technolgy Co., Ltd. | ||
| Quartz glass | Lianyungang Weida Quartz Products Co., Ltd. | ||
| Thermocouples, WRNK-191K | Feiyang Electric Accessories Co., Ltd. | ||
| Electronmagnetic stirrer, 85-2 | Shanghai Zhiwei Electric Appliance Co., Ltd. | ||
| Vacuum pump,SHB-IIIA | Henan Province Taikang science and education equipment factory | ||
| Gas Chromatograph, GC2014 | SHIMAPZU | ||
| HT-PLOT Q capillary column | Hychrom | ||
| Optical power meter,CEL-NP2000 | Beijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd. | ||
| Electronic scale, JJ124BC | Shanghai Jingtian Electronic Instrument Co., Ltd. |
References
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Cite This Article
Fang, X., Gao, Z., Lu, H., Zhu, Q., Zhang, Z. CO2 Photoreduction to CH4 Performance Under Concentrating Solar Light. J. Vis. Exp. (148), e58661, doi:10.3791/58661 (2019).