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Methodenartikel

CO2 Photoreduction zu CH4 Performance Under Concentrating Solar Light

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DOI:

10.3791/58661

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12. Juni 2019

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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Wir präsentieren ein Protokoll zur Verbesserung der Leistung der CO2-Photoreduktion auf CH4 durch Erhöhung der einfallenden Lichtintensität durch konzentrierte Solarenergietechnologie.

Zusammenfassung

Wir zeigen eine Methode zur Verbesserung der CO2-Photoreduktion. Da die treibende Kraft einer photokatalytischen Reaktion von Solarlicht ausgeht, ist die Grundidee, Die Konzentrationstechnologie zu nutzen, um die einfallende Sonnenlichtintensität zu erhöhen. Die Konzentration eines großflächig endenden Lichts auf einen kleinen Bereich kann nicht nur die Lichtintensität erhöhen, sondern auch die Katalysatormenge sowie das Reaktorvolumen reduzieren und die Oberflächentemperatur erhöhen. Die Konzentration des Lichts kann durch verschiedene Geräte realisiert werden. In diesem Manuskript wird es durch eine Fresnel-Linse realisiert. Das Licht dringt in die Linse ein und konzentriert sich auf einen scheibenförmigen Katalysator. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Reaktionsgeschwindigkeit als auch die Gesamtausbeute effizient erhöht werden. Das Verfahren kann auf die meisten CO2-Photoreduktionskatalysatoren sowie auf ähnliche Reaktionen mit geringer Reaktionsgeschwindigkeit bei natürlichem Licht angewendet werden.

Einleitung

Die Nutzung fossiler Brennstoffe geht einher mit großen Mengen an CO2-Emissionen, die erheblich zur globalen Erwärmung beitragen. CO2-Abscheidung, -Speicherung und -Umwandlung sind unerlässlich, um den CO2-Gehalt in der Atmosphäre1zu reduzieren. Die Photoreduktion von CO2 auf Kohlenwasserstoffe kann CO2 reduzieren, CO2 in Brennstoffe umwandeln und Sonnenenergie sparen. CO2 ist jedoch ein extrem stabiles Molekül. Seine C=O-Bindung besitzt eine höhere Dissoziationsenergie (ca. 750 kJ/mol)2. Das bedeutet, dass CO2 sehr schwer zu aktivieren und zu transformieren ist und während des Prozesses nur Kurzwellenlampen mit hoher Energie funktional sein können. Daher leiden CO2-Photoreduktionsstudien derzeit unter niedrigen Umwandlungseffizienzen und Reaktionsraten. Die meisten gemeldeten CH4-Ausbeuteraten liegen nur bei mehreren Werten von 1 ,g-h-1 auf einem TiO 2-Katalysator3,4. Das Design und die Herstellung von photokatalytischen Systemen mit hoher Umwandlungseffizienz und Reaktionsgeschwindigkeit zur CO2-Reduktion bleiben eine Herausforderung.

Ein beliebtes Forschungsgebiet zu CO2-Photoreduktionskatalysatoren ist die Erweiterung des verfügbaren Lichtbandes auf das sichtbare Spektrum und die Steigerung der Nutzungseffizienz dieser Wellenlängen5,6. Stattdessen versuchen wir in diesem Manuskript, die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, indem wir die Lichtintensität erhöhen. Da die treibende Kraft einer photokatalytischen Reaktion Sonnenlicht ist, ist die Grundidee, die Konzentrationstechnologie zu nutzen, um die einfallende Sonnenlichtintensität zu erhöhen und damit die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Dies ähnelt einem thermokatalytischen Prozess, bei dem die Reaktionsgeschwindigkeit durch Erhöhung der Temperatur erhöht werden kann. Natürlich kann der Temperatureffekt nicht unendlich erhöht werden, ebenso wie mit der Lichtintensität; ein wichtiges Ziel dieser Forschung ist es, ein geeignetes Lichtintensitäts- oder Konzentrationsverhältnis zu finden.

Dies ist nicht das erste Experiment, das Konzentrationstechnologie verwendet. In der Tat, es ist weit verbreitet in der Konzentration von Solarstrom und Abwasserbehandlung7,8verwendet worden. Biomaterialien wie Buchenholzsägemehl können in einem Solarreaktor9,10pyrolysiert werden. Einige frühere Berichte haben die Methode zur CO2-Photoreduktion11,12,13erwähnt. Eine Probe zeigte eine 50%ige Steigerung der Produktausbeute, wenn die Lichtintensität verdoppelt wurde14. Unsere Gruppe hat herausgefunden, dass konzentriertes Licht die CH 4-Ausbeute mit einer bis zu 12-fachen Intensitätssteigerung erhöhen kann. Darüber hinaus kann die Vorbehandlung des Katalysators vor der Reaktion durch konzentrationsmittelliches Licht die CH 4-Ausbeute 15 weiter erhöhen. Hier zeigen wir das experimentelle System und die Methode im Detail.

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Protokoll

Achtung: Bitte beachten Sie alle relevanten Material Safety Data Sheets (MSDS) vor dem Betrieb. Mehrere Chemikalien sind entzündlich und stark korrosiv. Konzentriertes Licht kann zu schädlichen Lichtintensitäten und Temperaturanstiegen führen. Bitte verwenden Sie alle geeigneten Sicherheitsvorrichtungen wie persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe, Labormäntel, Hosen, etc.).

1. Katalysatorvorbereitung

  1. Vorbereitung von TiO2 durch Eloxierung
    Hinweis: Die Anodisierung verwendet Metallfolien und eine Pt-Folie als zwei Gegenelektroden. Die beiden Elektroden werden in den Elektrolyten eingesetzt. Mit Strom werden die Metallfolien an der Anodenstelle oxidiert.
    1. 0,3 g NH4F und 2 ml H2 O in 100 ml Glykol in einem 200-ml-Becher mit einem Rührer zum Elektrolyten auflösen. Legen Sie den Becher mit dem Elektrolyt in ein 45 °C Wasserbad.
    2. Die Ti-Folie (50 x 250 mm Größe) mit einer Schere auf 25 x 25 mm zu schneiden.
    3. Polieren Sie die Ti-Folienoberfläche mit einem 7.000-Mesh-Schleifpapier, um die Oberflächenunreinheiten zu entfernen.
    4. Untertauchen Sie die Ti-Folie in einen Volume-Kolben mit 15 ml Ethanol, dann einen Kolben mit 15 ml Aceton, dann behandeln Sie es für 15 min mit einem Ultraschallreiniger. Nehmen Sie die Ti-Folie heraus, spülen Sie sie 3 - 5x mit entionisiertem Wasser ab und legen Sie sie in einen Volumetkolben mit 20 ml Ethanol.
    5. 10 ml H2O, 5 ml HNO3,3 ml H2 O2, 1 ml 18% gew./NH2CO und 1 ml 18% Wt.4 F in ein 100-ml-Becherglas auflösen, um eine Polierlösung zu bilden.
    6. Die Ti-Folie aus dem Ethanolkolben herausnehmen, 3x mit entionisiertem Wasser abspülen und in die Polierlösung für 2 - 3 min geben. Entfernen Sie die Ti-Folie und waschen Sie sie 3x mit entionisiertem Wasser.
    7. Verwenden Sie einen Anoden-Alligatorclip, um die vorbehandelte Ti-Folie und einen weiteren Clip für eine Pt-Folie (25 x 25 mm) zu halten. Legen Sie die beiden Folien von Angesicht zu Angesicht in den Elektrolyt in einem Abstand von 2 cm voneinander. Schalten Sie die stabilisierte Stromquelle (DC) ein, stimmen Sie die Spannung auf 50 V ab und schalten Sie 30 min Elektrolyse ein.
    8. Nachdem die Eloxierung beendet ist, schließen Sie die Stromversorgung und nehmen Sie die TiO 2-Folie
    9. Untertauchen Sie die Ti-Folie in einen Volume-Kolben mit 15 ml Ethanol, dann einen Kolben mit 15 ml Aceton, dann behandeln Sie es für 15 min mit einem Ultraschallreiniger. Nehmen Sie die Ti-Folie heraus, spülen Sie sie 3 - 5x mit entionisiertem Wasser ab und legen Sie sie in einen 50-ml-Tiegel.
    10. Den Tiegel bei 60 °C 12 h in einen Ofen geben, um die Folie trocknen zu lassen.
    11. Die TiO 2-Folie in einem Muffelofen unter 400 °C für 2 h mit einer Heizrate von 2 °C/min kalkulieren.

2. Katalytische Tests undP-Rokt-Analyse

  1. Katalytische Tests unter konzentrationsleichtem Licht
    1. Reinigen Sie den rostfreien zylinderförmigen Reaktor (Innendurchmesser = 5,5 cm, Volumen = 100 ml) mit entionisiertem Wasser und trocknen Sie ihn dann 10 min in einem Ofen bei 60 °C, um keine Interferenzen durch andere Kohlenstoffquellen zu vermeiden.
    2. Nehmen Sie den Reaktor aus demOfen, fügen Sie 2 ml H2 O, einen Rührer und einen Katalysatorhalter (ein kleines Regal, das den Katalysator im Reaktor hält) und legen Sie ein Quarzglas mit Poren (Durchmesser = 2 cm) auf der Unterseite des Halters und des TiO 2-Katalysators (Durchmesser = 1 cm) auf die Mitte des Quarzglases. Legen Sie ein Thermoelement durch eine Öffnung an der Reaktorwand auf der Katalysatoroberfläche. Fügen Sie eine Fresnel-Linse auf die Oberseite des Halters und versiegeln Sie den Reaktor mit einem Quarzglasfenster.
    3. Setzen Sie den Reaktor auf den elektromagnetischen Apparat. Überprüfen Sie die Luftdichtheit mit Stickstoff (N2).
    4. CO2 füttern (99,99%) durch einen Massenstromregler (MFC) in den Reaktor einsteigen und den Reaktor mindestens3x spülen, um das Gas im Reaktor in CO2 umzubuchen.
    5. Stellen Sie die Xe-Lampe 2 cm direkt über dem Reaktor ein, öffnen Sie die Xe-Lampenleistung und stellen Sie ihren Strom auf 15 A ein, und schalten Sie den magnetischen Rührschalter ein, um die Reaktion zu starten.
    6. Zeichnen Sie die Temperaturänderung auf der Katalysatoroberfläche und im Gas auf.
  2. Produktanalyse
    1. Analysieren Sie das Produkt alle 1 h mit einer Gaschromatographie (GC), die mit einem flammenionisierten Detektor (FID) undeiner Kapillarsäule (siehe Materialtabelle)zur Trennung von C1 -C6-Kohlenwasserstoffen ausgestattet ist.
    2. Berechnen Sie die Anzahl der Produkte nach der externen Standardzeilenmethode. Vor der Quantifizierung des Produkts, erstellen Sie eine Standardkurve von Methan (CH4).
  3. Katalytische Tests unter Konzentrationslicht mit Vorbehandlung
    Hinweis: Dieses Verfahren ähnelt 2.1, wobei Unterschiede festgestellt werden.
    1. Waschreaktor wie in Schritt 2.1.1.
    2. Reaktor wie in Schritt 2.1.2 montieren, außer ohne Zugabe vonH2O.
    3. Überprüfen Sie die Luftdichtheit wie in Schritt 2.1.3.
    4. Führen Sie das Vorbehandlungsgas (wie Luft,N2 und H2 O) über einen MFC in den Reaktor ein und tauschen Sie das Gas dreimal hintereinander aus, um den Reaktor zu reinem Vorbehandlungsgas zu machen.
    5. Stellen Sie die Lampe wie in Schritt 2.1.5 ein.
    6. Halten Sie den Katalysator unter Licht (10 Konzentrationsverhältnis) Beleuchtung für 1 h in der Luftatmosphäre, dann schalten Sie die Xe Lampe und Magnetrührer, um die Vorbehandlung zu beenden.
    7. CO2 füttern (99,99%) in den Reaktor wie in Schritt 2.1.4.
    8. 2 mlH2O aus der Öffnung der Wand in den Reaktor injizieren. Öffnen Sie die Xe-Lampe und die magnetische Rührwerkleistung, um die Reaktion als Schritt 2.1.5 zu starten.
    9. Zeichnen Sie die Temperaturänderung wie in Schritt 2.1.6 auf.

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Ergebnisse

Das ursprüngliche photokatalytische Reaktorsystem besteht hauptsächlich aus zwei Komponenten, einer Xe-Lampe und einem Edelstahl-Zylinderreaktor. Für das konzentrierende Lichtreaktorsystem haben wir eine Fresnellinse und einen Katalysatorhalter hinzugefügt, wie in Abbildung 1dargestellt. Die Fresnel-Linse wird verwendet, um das Licht in einem kleineren Bereich zu konzentrieren. Da das Licht konzentriert wurde, muss der Katalysator in einen beleuchteten Bereic...

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Diskussion

Konzentriertes Licht reduziert den Lichteinfallbereich und erfordert die Verwendung eines scheibenförmigen Katalysators oder eines sogenannten Festbettreaktors, um den Katalysator zu halten. Da es sich bei der Lichtquelle in der Regel um eine runde Lampe handelt, sollte auch die Form des Katalysators rund sein. Um eine runde Scheibe zu erhalten, ist es möglich, das Pulver durch Tabletten in eine Scheibe zu pressen oder die Metallfolie durch Eloxierung in ein Oxid umzudrücken. Die Eloxierungsmethode verwendet Elektrizität...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

Diese Arbeit wird von der Natural Science Foundation of China (Nr. 21506194, 21676255) unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Ti-Folie, 99,99%Hebei Metal Technology Co., Ltd.
Pt-Folie, 99,99%Tianjin Aida Henghao Technology Co., Ltd.
Ammoniumfluorid, 98 %AladdinA111758feuchtigkeitsempfindliches
Glykol, >99,9 %AladdinE103323
wasserfreies Ethanol, >99,9 %AladdinE111977entflammbares
Aceton, >99,5 %Hangzhou Shuanglin Chemical Co., Ltd.200-662-2Irritierender Geruch
Salpetersäure, 65,0%-68,0%Hangzhou Shuanglin Chemical Co., Ltd.231-714-2Feuchtigkeitsempfindliches
Wasserstoffperoxid, 30 Gew.-% in H2OAladdinH112515Stark oxidativer
Harnstoff, 99%AladdinU111897
entionisiertes Wasser, 99,00 %Im Labor hergestellte
Xe-Lampe, CELHXF300/CELHXUV300Beijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.
Rostfreier Zylinderreaktor, CEL-GPPCBeijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.
Fresnel-Linse, MYlensMeiying Technology Co., Ltd.
7000 Mesh SchleifpapierZibo Taichuan Abrasives Co., Ltd.
Ultraschallreiniger, SK2210HPShanghai Kedao Ultrasonic Instrument Co., Ltd.
Thermostatisches Wasserbad, DF-101SBoncie Instrument Technology Co., Ltd.
KrokodilklemmeGuangzhou Rongyu Co., Ltd.
Gleichstrom-Konstantspannungsquelle, DY-150V 2AShanghai Anding Electric Co., Ltd.
Muffelofen, KSL-1200XHefei Kejing Materials Technology Co., Ltd.
QuarzglasLianyungang Weida Quartz Products Co., Ltd.
Thermoelemente, WRNK-191KFeiyang Elektrisches Zubehör Co., Ltd.
Elektromagnetischer Rührer, 85-2Shanghai Zhiwei Electric Appliance Co., Ltd.
Vakuumpumpe, SHB-IIIAProvinz Henan Taikang Fabrik
Gaschromatograph, GC2014SHIMAPZU
HT-PLOT Q KapillarsäuleHychrom
Optischer Leistungsmesser, CEL-NP2000Beijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.
Elektronische Waage, JJ124BCShanghai Jingtian Electronic Instrument Co., Ltd.
für Wissenschafts- und Bildungsausrüstung

Referenzen

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