在聚光太阳光下 CO2 光还原生成 CH4 的性能研究

摘要

我们提出了一种提高CO性能的实验方案₂ 光还原为CH₄ 通过增强入射光强度 通过 聚光太阳能技术

摘要

我们展示了一种增强CO₂光还原反应的方法。由于光催化反应的驱动力来自太阳光，其基本思路是利用聚光技术提高入射太阳光的强度。将大面积的光聚焦到小面积上，不仅可以增加光照强度，还能减少催化剂用量和反应器体积，并提高表面温度。光的聚集可通过多种装置实现。本文中采用菲涅耳透镜实现该过程。光线穿过透镜后，被聚焦于一个圆盘状催化剂上。结果表明，反应速率和总产率均显著提高。该方法可广泛应用于大多数CO₂光还原催化剂，以及在自然光照下反应速率较低的类似反应。

引言

化石燃料的使用伴随着大量CO₂的排放。₂ 排放，对全球变暖有重大影响。CO₂ 捕获、储存和转化对于减少CO₂ 大气中的成分¹. 二氧化碳的光还原₂ 转化为碳氢化合物可减少CO₂，转化CO₂ 转化为燃料，并储存太阳能。然而，CO₂ 是一种极为稳定的分子，其C=O键具有较高的解离能（约750 kJ/mol）。²。这意味着 CO₂ 很难被活化和转化，只有高能量的短波长光才能在此过程中发挥作用。因此，CO₂ 目前，光还原研究存在转化效率和反应速率较低的问题。大多数已报道的 CH₄ 产率仅为每克几微摩尔（µmol·g）_cata^-1·h^-1 水平在 TiO₂ 催化剂^3,4. 设计和制备具有高转化效率和反应速率的光催化系统用于 CO₂ 还原仍是一个挑战。

目前关于CO₂光还原催化剂的一个热门研究方向是拓宽可利用的光谱范围至可见光区域，....

方案

注意：操作前请查阅所有相关的材料安全数据表（MSDS）。多种化学品具有易燃性和强腐蚀性。聚焦光线可能导致有害的光强和温度升高。请使用所有适当的安全装置，例如个人防护装备（护目镜、手套、实验服、长裤）， 等等。).

1. 催化剂制备

1. 通过阳极氧化法制备 TiO₂
   注意：阳极氧化使用金属箔和铂箔作为两个对电极。将两个电极放入电解液中。通过通电，使位于阳极位置的金属箔发生氧化。
   1. 在200 mL烧杯中，将0.3 g NH₄F和2 mL H₂O溶于100 mL乙二醇中，并用搅拌器搅拌，形成电解液。将盛有电解液的烧杯置于45 °C水浴中。
   2. 用剪刀将钛箔（尺寸为50 × 250 mm）裁剪为25 × 25 mm。
   3. 使用7000目砂纸对钛箔表面进行抛光，以去除表面杂质。
   4. 将钛箔依次浸入含有15 mL乙醇的容量瓶中，再浸入含有15 mL丙酮的容量瓶中，随后用超声波清洗仪处理15分钟。取出钛箔，用去离子水冲洗3–5次，并将其放入盛有20 mL乙醇的容量瓶中。
   5. 在100 mL烧杯中溶解10 mL H₂O、5 mL HNO₃、3 mL H₂O₂、1 ....

结果

原始的光催化反应器系统主要包含两个部分：氙灯和不锈钢圆筒反应器。对于聚光式反应器系统，我们增加了菲涅尔透镜和催化剂支架，如图1所示。菲涅尔透镜用于将光线聚焦到更小的区域。由于光线已被集中，催化剂必须放置在受光区域，因此将催化剂制成圆盘形状，并使用支架将催化剂固定在该区域内。

采用阳极氧化法时，会在箔片表面形成一层TiO₂纳米管阵列。图2展示了一些表征结果。但更重要的是，TiO₂阵列或其他半导体能够牢固地附着在箔片上，便于切割成各种尺寸的圆片而不破裂。

我们在聚光条件下测试了所制备的 TiO₂ 及其他半导体的催化性能。

讨论

聚焦光线会减小光照面积，因此需要使用圆盘状催化剂或所谓的固定床反应器来承载催化剂。由于光源通常为圆形灯，催化剂的形状也应为圆形。要制备圆形薄片，可通过压片法将粉末压制成圆盘，或通过阳极氧化法将金属箔转化为氧化物。阳极氧化法利用电流将金属氧化为氧化物半导体。由于金属前驱体本身已是片状或箔状，氧化后更易于裁剪成所需形状，且不易破裂。

另一个需要考虑的因素是光强测量。我们未提供聚光后的光强度数据，因为商用光强探测器存在一些局限性。这类探测器通常具有较大的表面积（内径 = 1 cm）并带有保护壁，当用于测量聚焦光时，这些结构会遮挡大量光线。此外，当聚光倍数较高时，氙灯本身尺寸较小（通常内径为 5 cm），会将光聚焦到一个非常小的区域，该区域可能小于探测器的感光面积。因此，为进一步研究聚光技术，必须使用更大尺寸的光源，并改进光强探测器。

在实施本方案后，使用适当的聚光比例可显著提高 CH₄ 的产率，这意味着聚光在一定程度上能够减少催化剂的用量。当然，更高的光强并不总是有利于催化性能，存在一个最佳的聚光比例。多种因素.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
钛箔，99.99%	河北金属科技有限公司
铂箔，99.99%	天津艾达恒浩科技有限公司
氟化铵，98%	阿拉丁	A111758	对湿度敏感
乙二醇，>99.9%	阿拉丁	E103323
无水乙醇，>99.9%	阿拉丁	E111977	易燃
丙酮，>99.5%	杭州双林化工有限公司	200-662-2	有刺激性气味
硝酸，65.0%-68.0%	杭州双林化工有限公司	231-714-2	对湿度敏感
过氧化氢，30 wt. % 水溶液	阿拉丁	H112515	强氧化性
尿素，99%	阿拉丁	U111897
去离子水，99.00%	实验室自制
氙灯，CELHXF300/CELHXUV300	北京中教金源科技发展有限公司
不锈钢筒式反应器，CEL-GPPC	北京中教金源科技发展有限公司
菲涅尔透镜，MYlens	美颖科技有限公司
7000目砂纸	淄博泰川磨料有限公司
超声波清洗机，SK2210HP	上海科导超声仪器有限公司
恒温水浴锅，DF-101S	邦西仪器科技有限公司
鳄鱼夹	广州荣宇有限公司
直流稳压电源，DY-150V 2A	上海安定电器有限公司
马弗炉，KSL-1200X	合肥科晶材料技术有限公司
石英玻璃	连云港伟达石英制品有限公司
热电偶，WRNK-191K	飞阳电气配件有限公司
电磁搅拌器，85-2	上海智威电器有限公司
真空泵，SHB-IIIA	河南省太康科教设备厂
气相色谱仪，GC2014	SHIMADZU
HT-PLOT Q 毛细管柱	Hychrom
光功率计，CEL-NP2000	北京中教金源科技发展有限公司
电子天平，JJ124BC	上海精天电子仪器有限公司