يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

CO2 Photoreduction إلى CH4 الأداء تحت تركيز الضوء الشمسي

6.5K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/58661

⸱

يونيو 12, 2019

 ,  ,  ,  , 
1Institute of Chemical Reaction Engineering, College of Chemical Engineering, Zhejiang University of Technology

في هذه المقالة

ملخص

نقدم بروتوكوللتحسين أداء CO2 photoreduction إلى CH4 من خلال زيادة كثافة ضوء الحادث من خلال تركيز تكنولوجيا الطاقة الشمسية.

الملخص

نحن نبرهن على طريقة لتعزيز CO2 photoreduction. كما القوة الدافعة لرد الفعل الضوئي هو من الضوء الشمسي، والفكرة الأساسية هي استخدام تكنولوجيا التركيز لرفع كثافة الضوء الشمسي الحادث. تركيز ضوء منطقة كبيرة على منطقة صغيرة لا يمكن إلا أن تزيد من شدة الضوء، ولكن أيضا تقليل كمية محفز، فضلا عن حجم المفاعل، وزيادة درجة حرارة السطح. يمكن تحقيق تركيز الضوء من قبل أجهزة مختلفة. في هذه المخطوطة، تتحقق من قبل عدسة فريسنل. الضوء يخترق العدسة ويتركز على محفز على شكل قرص. وتبين النتائج أن معدل رد الفعل والغلة الإجمالية يزدادان بكفاءة. ويمكن تطبيق هذه الطريقة على معظم المواد الحفازة CO2 تقليل الضوئي، وكذلك على ردود فعل مماثلة مع انخفاض معدل التفاعل في الضوء الطبيعي.

المقدمة

ويقترن استخدام الوقود الأحفوري بكميات كبيرة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، مما يسهم إسهاما كبيرا في الاحترار العالمي. احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه وتحويله ضروري للحد من محتوى ثاني أكسيد الكربون2 في الغلاف الجوي1. يمكن أن يقلل الحد الضوئي منثاني أكسيد الكربون إلى الهيدروكربونات من ثاني أكسيد الكربون، وتحويل ثاني أكسيد الكربون2 إلى وقود، وتوفير الطاقة الشمسية. ومع ذلك، CO2 هو جزيء مستقر للغاية. في C = O السندات تمتلك طاقة تفكك أعلى (حوالي 750 كيلو جول / مول)2. وهذا يعني أن CO2 من الصعب جدا أن يتم تفعيلها وتحويلها، وأضواء الطول الموجي القصير فقط مع الطاقة العالية يمكن أن تكون وظيفية خلال هذه العملية. ولذلك، فإن دراسات خفض الصور في ثاني أكسيد الكربون تعاني من انخفاض كفاءة التحويل ومعدلات التفاعل في الوقت الحاضر. معظم معدلات الغلة CH4 المبلغ عنها هي فقط في عدة μmol·gcata-1·h-1 المستويات على محفز TiO2 3,4. ولا يزال تصميم وتصنيع النظم الحفازة الضوئية ذات الكفاءة العالية للتحويل ومعدل التفاعل من أجل الحد من ثاني أكسيد الكربون يشكل تحدياً.

أحد المجالات الشعبية للبحث في محفزات CO2 للتقليل الضوئي هو توسيع نطاق الضوء المتاح إلى الطيف المرئي وتعزيز كفاءة استخدام هذه الأطوال الموجية5و6. بدلا من ذلك، في هذه المخطوطة، ونحن نحاول زيادة معدل رد الفعل من خلال تعزيز كثافة الضوء. وبما أن القوة الدافعة لرد الفعل الحفاز الضوئي هي الضوء الشمسي، فإن الفكرة الأساسية هي استخدام تكنولوجيا التركيز لرفع شدة الضوء الشمسي للحادث، وبالتالي زيادة معدل التفاعل. وهذا يشبه عملية التحليل الحراري، حيث يمكن زيادة معدل التفاعل عن طريق زيادة درجة الحرارة. وبطبيعة الحال، لا يمكن زيادة تأثير درجة الحرارة بلا حدود، وبالمثل مع شدة الضوء. والهدف الرئيسي من هذا البحث هو العثور على كثافة الضوء مناسبة أو نسبة التركيز.

هذه ليست التجربة الأولى التي تستخدم تكنولوجيا التركيز. في الواقع، وقد استخدمت على نطاق واسع في تركيزالطاقة الشمسية ومعالجة مياه الصرف الصحي 7،8. المواد الحيوية مثل نشارة الخشب الزان يمكن أن يكونpyrolyzed في مفاعل للطاقة الشمسية 9،10. وقد ذكرت بعض التقارير السابقة طريقة CO2 photoreduction11،12،13. وأظهرت عينة واحدة زيادة 50٪ في العائد المنتج عندما تضاعفت كثافة الضوء14. وقد وجدت مجموعتنا أن تركيز الضوء يمكن أن يرفع معدل العائد CH4 مع زيادة تصل إلى 12 أضعاف في كثافة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن المعالجة المسبقة للمحفز قبل رد الفعل عن طريق تركيز الضوء زيادة معدل العائد CH4 15. هنا، ونحن نبين النظام التجريبي والأسلوب بالتفصيل.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

تحذير: يرجى الرجوع إلى جميع أوراق بيانات سلامة المواد ذات الصلة (MSDS) قبل التشغيل. العديد من المواد الكيميائية قابلة للاشتعال وتآكل للغاية. يمكن أن يسبب تركيز الضوء كثافة الضوء الضارة وزيادات في درجة الحرارة. يرجى استخدام جميع أجهزة السلامة المناسبة مثل معدات الحماية الشخصية (نظارات السلامة، والقفازات، والمعاطف مختبر، والسراويل، الخ).

1. إعداد محفز

  1. إعداد TiO2 عن طريق أنودة
    ملاحظة: يستخدم الأنودة رقائق معدنية واحباط Pt كقطبين مضادين. يتم وضع القطبين في الكهارل. باستخدام الكهرباء، يتم أكسدة رقائق معدنية في موقع الأنود.
    1. حل 0.3 غرام من NH4F و 2 مل من H2O في 100 مل من غليكول في كوب 200 مل مع النمام لتشكيل الكهارل. ضع الحمّاب مع الإلكتروليت في حمام مائي بزاوية 45 درجة مئوية.
    2. تقليم احباط تي (50 × 250 مم الحجم) مع مقص إلى 25 × 25 ملم.
    3. قم بتلميع سطح رقائق Ti بورق من الصنفرة بـ 7000 شبكة لإزالة الشوائب السطحية.
    4. غمر احباط تي في قارورة الحجمية التي تحتوي على 15 مل من الإيثانول، ثم قارورة مع 15 مل من الأسيتون، ثم علاجها لمدة 15 دقيقة مع منظف بالموجات فوق الصوتية. إخراج احباط تي، شطفه 3 - 5X مع الماء منزوع الأيونات، ووضعها في قارورة الحجم التي تحتوي على 20 مل من الإيثانول.
    5. حل 10 مل من H2O، 5 مل من HNO 3، 3 مل من H2O2،1 مل من 18٪ wt (NH2)2CO، و 1 مل من 18٪ WT NH4F في كوب 100 مل لتشكيل محلول تلميع.
    6. إخراج احباط تي من قارورة الإيثانول، شطفه 3X مع الماء منزوع الأيونات، ووضعها في حل تلميع لمدة 2 - 3 دقائق.
    7. استخدام مقطع التمساح الأنود لعقد احباط تي المعالجة مسبقا ومقطع آخر لعقد احباط حزب العمال (25 × 25 ملم). وضع اثنين من رقائق وجها لوجه في الكهارل على مسافة 2 سم من بعضها البعض. تشغيل مباشرة الحالية (العاصمة) استقرت مصدر الطاقة الحالية، وضبط الجهد إلى 50 V، والكهرباء لمدة 30 دقيقة.
    8. بعد الانتهاء من أنودة، وإغلاق السلطة وإخراج رقائق TiO2
    9. غمر احباط تي في قارورة الحجمية التي تحتوي على 15 مل من الإيثانول، ثم قارورة مع 15 مل من الأسيتون، ثم علاجها لمدة 15 دقيقة مع منظف بالموجات فوق الصوتية. إخراج احباط تي، شطفه 3 - 5X مع الماء منزوع الأيونات، ووضعها في بوتقة 50 مل.
    10. ضع البوتقة في فرن عند 60 درجة مئوية لمدة 12 ساعة لتترك الرقاقة تجف.
    11. Calcine احباط TiO2 في فرن كاتم الصوت تحت 400 درجة مئوية لمدة 2 ساعة مع معدل التدفئة من 2 درجة مئوية / دقيقة.

2. الاختبارات الحفازةوتحليل P roduct

  1. الاختبارات الحفازة تحت تركيز الضوء
    1. تنظيف المفاعل على شكل اسطوانة غير القابل للصدأ (القطر الداخلي = 5.5 سم، حجم = 100 مل) مع الماء منزوع الأيونات ثم تجفيفه في فرن في 60 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة، لضمان عدم وجود تدخل من مصادر الكربون الأخرى.
    2. إخراج المفاعل من الفرن، إضافة 2 مل H2O، النمام، وحامل محفز (رف صغير يحمل محفز في المفاعل)، ووضع زجاج الكوارتز مع المسام (قطر = 2 سم) على الجزء السفلي من حامل ومحفز TiO2 (قطر = 1 سم) على مركز زجاج الكوارتز. وضع الحرارية من خلال فتحة على جدار المفاعل على سطح محفز. إضافة عدسة فريسنل على الجزء العلوي من حامل وختم المفاعل مع نافذة زجاج الكوارتز.
    3. ضع المفاعل على الجهاز الكهرومغناطيسي تحقق من ضيق الهواء معالنيتروجين (N 2).
    4. تغذية ثاني أكسيد الكربون2 (99.99%) في المفاعل من خلال وحدة تحكم تدفق الكتلة (MFC) وطرد المفاعل ما لا يقل عن 3X لتغيير الغاز في المفاعل إلى CO2.
    5. ضع مصباح Xe 2 سم مباشرة فوق المفاعل، افتح قوة مصباح Xe واضبط تياره إلى 15 A، ودرّأ مفتاح النمام المغناطيسي لبدء التفاعل.
    6. تسجيل تغير درجة الحرارة على سطح محفز وفي الغاز.
  2. تحليل المنتجات
    1. تحليل المنتج كل 1 ساعة باستخدام الكروماتوغرافيا الغاز (GC)، والتي تم تجهيزها مع كاشف اللهب المتأين (FID) وعمود الشعرية (انظر جدولالمواد) لفصل C 1-C6 الهيدروكربونات.
    2. حساب عدد المنتجات حسب أسلوب الخط القياسي الخارجي. قبل قياس المنتج، وبناء منحنى قياسي منالميثان (CH 4).
  3. الاختبارات الحفازة تحت تركيز الضوء مع المعالجة المسبقة
    ملاحظة: يشبه هذا الإجراء 2-1، مع الإشارة إلى الاختلافات.
    1. غسل المفاعل كما هو الحال في الخطوة 2.1.1.
    2. تجميع المفاعل كما هو الحال في الخطوة 2.1.2، إلا دون إضافة H2O.
    3. تحقق من ضيق الهواء كما هو الحال في الخطوة 2.1.3.
    4. تغذية الغاز المعالجة المسبقة (مثل الهواء، N2 و H2O) في المفاعل من خلال MFC وتبادل الغاز ثلاث مرات على التوالي لجعل المفاعل نقية الغاز المعالجة المسبقة.
    5. ضبط المصباح كما هو الحال في الخطوة 2.1.5.
    6. إبقاء محفز تحت الضوء (10 نسبة التركيز) الإضاءة لمدة 1 ساعة في الغلاف الجوي للهواء، ثم إيقاف مصباح Xe والنمام المغناطيسي لإنهاء المعالجة المسبقة.
    7. تغذية ثاني أكسيد الكربون2 (99.99%) في المفاعل كما هو الحال في الخطوة 2.1.4.
    8. حقن 2 مل H2O في المفاعل من فتح الجدار. افتح مصباح Xe وقوة النمام المغناطيسي لبدء رد الفعل كخطوة 2.1.5.
    9. تسجيل تغيير درجة الحرارة كما هو الحال في الخطوة 2.1.6.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

يحتوي نظام المفاعل الضوئي الضوئي الأصلي بشكل رئيسي على مكونين، مصباح Xe ومفاعل أسطوانة غير قابل للصدأ. بالنسبة لنظام المفاعل الخفيف المركز، أضفنا عدسة فريسنل وحامل محفز، كما هو موضح في الشكل1. يتم استخدام عدسة فريسنل لتركيز الضوء في منطقة أصغر. وبما أن الضوء قد تركز، يجب وضع الحافز في منطقة مضاءة؛ لذلك، يتم إجراء محفز في شكل القرص، ويستخدم حامل لعقد محفز في هذا المجال.

عندما تم استخدام طريقة أنودة، ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

تركيز الضوء يقلل من منطقة الحادث الخفيفة ويتطلب استخدام محفز على شكل قرص أو ما يسمى مفاعل ثابت السرير لعقد محفز. وبما أن مصدر الضوء هو عادة مصباح على شكل دائري، يجب أن يكون شكل المحفز أيضا جولة. للحصول على قرص مستدير ، من الممكن الضغط على المسحوق في قرص عن طريق التابلت أو تغيير احباط المعادن إلى أكسيد عن طريق أنودة. تستخدم طريقة الأنودة الكهرباء لأكسدة المعدن إلى أشباه الموصلات أكسيد. كما السلائف المعدنية هو بالفعل ورقة أو احباط، فإنه يمكن قلص بسهولة أكبر بعد الأكسدة دون كسره.

وثمة عامل آخر يل...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

ويدعم هذا العمل مؤسسة العلوم الطبيعية في الصين (رقم 21506194، 21676255).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
رقائق Ti ، 99.99٪شركة خبى للتكنولوجيا المعدنية المحدودة
رقائق Pt ، 99.99٪تيانجين عايدة Henghao التكنولوجيا المحدودة
فلوريد الأمونيوم ، 98٪علاءالدين A111758
جليكول حساس للرطوبة ، >99.9٪علاء الدينE103323
الإيثانول اللامائي ، >99.9٪علاء الدينE111977القابل للاشتعال
، >99.5٪هانغتشو شوانغلين الكيميائية المحدودة200-662-2رائحة مزعجة
حمض النيتريك ، 65.0٪ -68.0٪هانغتشو Shuanglin الكيميائية المحدودة231-714-2
بيروكسيد الهيدروجين الحساس للرطوبة ، 30 بالوزن ٪ في H2Oعلاءالدين H112515المؤكسدة
القوية ، 99٪علاء الدينU111897
ماء منزوع الأيونات ، 99.00٪مصنوع
، CELHXF300 / CELHXUV300Beijing Zhongjiao Jinyuan Co.، Ltd.
مفاعل اسطوانة غير قابل للصدأ ، CEL-GPPCبكين تشونغجياو جينيوان المحدودة
عدسة فريسنل ، MYlensMeiying Technology Co.، Ltd.
7000 شبكة ورق الصنفرةZibo Taichuan Abrasives Co.، Ltd.
منظف بالموجات فوق الصوتية ، SK2210HPشنغهاي كيداو بالموجات فوق الصوتية الصك المحدودة
حمام مائي حراري ، DF-101SBoncie Instrument Technology Co.، Ltd.
مشبك التمساحقوانغتشو Rongyu المحدودة
مصدر جهد ثابت DC ، DY-150V 2AShanghai Anding Electric Co.، Ltd.
فرن دثر ، KSL-1200XHefei Kejing Materials Technolgy Co.، Ltd.
زجاج الكوارتزLianyungang Weida منتجات الكوارتز المحدودة
مزدوجات حرارية ، WRNK-191KFeiyang الكهربائية الملحقات المحدودة
محرك كهربائي مغناطيسي ، 85-2Shanghai Zhiwei Electric Appliance Co.، Ltd.
مضخة فراغ ، SHB-IIIAمقاطعة خنان تايكانغ مصنع
الغاز كروماتوجراف ، GC2014SHIMAPZU
HT-PLOT Q العمود الشعريHychrom
عداد الطاقة البصرية ، CEL-NP2000بكين Zhongjiao Jinyuan المحدودة
مقياس إلكتروني ، JJ124BCShanghai Jingtian Electronic Instrument Co.، Ltd.
الأسيتون اليوريا مصباح Xe في المختبرمعدات العلوم والتعليم

المراجع

  1. De-Richter, R. K., Ming, T., Caillol, S. Fighting global warming by photocatalytic reduction of CO2, using giant photocatalytic reactors. Renewable & Sustainable Energy Reviews. 19 (1), 82-106 (2013).
  2. Fang, Y., Wang, X. Photocatalytic CO2 conversion by polymeric carbon nitrides. Chemical Communications. 54 (45), 5674-5687 (2018).
  3. Kondratenko, E. V., et al. Status and perspectives of CO2 conversion into fuels and chemicals by catalytic, photocatalytic and electrocatalytic processes. Energy & Environmental Science. 6 (11), 3112-3135 (2013).
  4. Izumi, Y. Recent Advances (2012-2015) in the Photocatalytic Conversion of Carbon Dioxide to Fuels Using Solar Energy: Feasibilty for a New Energy. Advances in CO2 Capture, Sequestration, and Conversion. Jin, F., He, L. -N., Hu, Y. H. , American Chemical Society. 1-46 (2015).
  5. White, J. L., et al. Light-Driven Heterogeneous Reduction of Carbon Dioxide: Photocatalysts and Photoelectrodes. Chemical Reviews. 115 (23), 12888-12935 (2015).
  6. Habisreutinger, S. N., Schmidtmende, L., Stolarczyk, J. K. Photocatalytic Reduction of CO2 on TiO2 and Other Semiconductors. Angewandte Chemie International Edition. 52 (29), 7372-7408 (2013).
  7. Weinstein, L. A., et al. Concentrating Solar Power. Chemical Reviews. 115 (23), 12797-12838 (2015).
  8. Herrmann, J. M., et al. TiO2 -based solar photocatalytic detoxification of water containing organic pollutants. Case studies of 2, 4-dichlorophenoxyaceticacid (2, 4 - D) and of benzofuran. Applied Catalysis B Environmental. 17 (1-2), 15-23 (1998).
  9. Zeng, K., et al. Combined effects of initial water content and heating parameters on solar pyrolysis of beech wood. Energy. 125, 552-561 (2017).
  10. Zeng, K., et al. Characterization of solar fuels obtained from beech wood solar pyrolysis. Fuel. 188, 285-293 (2017).
  11. Nguyen, T. V., Wu, J. C. S., Chiou, C. H. Photoreduction of CO over Ruthenium dye-sensitized TiO-based catalysts under concentrated natural sunlight. Catalysis Communications. 9 (10), 2073-2076 (2008).
  12. Guan, G., et al. Photoreduction of carbon dioxide with water over K2Ti6O13, photocatalyst combined with Cu/ZnO catalyst under concentrated sunlight. Applied Catalysis A: General. 249 (1), 11-18 (2003).
  13. Han, S., Chen, Y. F., Abanades, S., Zhang, Z. K. Improving photoreduction of CO2 with water to CH4 in a novel concentrated solar reactor. Journal of Energy Chemistry. 26 (4), 743-749 (2017).
  14. Roy, S. C., et al. Toward solar fuels: photocatalytic conversion of carbon dioxide to hydrocarbons. ACS Nano. 4 (3), 1259-1278 (2010).
  15. Li, D., Chen, Y. F., Abanades, S., Zhang, Z. K. Enhanced activity of TiO2 by concentrating light for photoreduction of CO2 with H2O to CH4. Catalysis Communications. 113, 6-9 (2018).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

CO2 Photoreduction إلى CH4 الأداء تحت تركيز الضوء الشمسي
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.