הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

CO2 פוטותורזציה ל-CH4 ביצועים תחת ריכוז אור סולארי

6.5K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/58661

⸱

12 ביוני 2019

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

במאמר זה

סיכום

אנו מציגים פרוטוקול לשיפור הביצועים של CO2 photor, כדי CH4 על ידי הבהרה של עוצמת אור האירוע באמצעות ריכוז טכנולוגיה סולארית אנרגיה.

תקציר

אנו להדגים שיטה לשיפור של CO2 photorהדגמה. ככוח המניע של תגובת פוטוקטליטי הוא מאור השמש, הרעיון הבסיסי הוא להשתמש בטכנולוגיית ריכוז כדי להעלות את האירוע עוצמת אור סולארית. ריכוז אור שטח גדול על אזור קטן לא יכול רק להגביר את עוצמת האור, אלא גם להקטין את כמות הזרז, כמו גם את נפח הכור, ולהגדיל את טמפרטורת פני השטח. ריכוז האור יכול להתממש על ידי מכשירים שונים. בכתב היד הזה, הוא מתגשם על ידי עדשת פרנל. האור חודר לעדשה ומרוכז בזרז בצורת דיסק. התוצאות מראות כי גם שיעור התגובה וגם התשואה הכוללת מוגברת ביעילות. ניתן להחיל את השיטה על רוב שיתוף2 הזרזים, כמו גם תגובות דומות עם שיעור תגובה נמוך באור טבעי.

מבוא

הניצול של דלקים מאובנים מלווה כמויות גדולות של פליטת CO2 , תורם מאוד התחממות כדור העולם. CO2 לכידת, אחסון, והמרה חיוניים כדי להפחית את התוכן CO2 באטמוספירה1. Photor, החברה של CO2 כדי פחמימנים יכול להפחית co2, להמיר co2 כדי דלקים, ולשמור אנרגיה סולארית. עם זאת, CO2 היא מולקולה יציבה מאוד. הקשר שלו C = O בעל אנרגיית דיסוציאציה גבוהה יותר (על 750 kJ/מול)2. משמעות הדבר היא כי CO2 קשה מאוד להיות מופעל והופך, ורק אור גל קצר רק עם אנרגיה גבוהה יכול להיות פונקציונלי במהלך התהליך. לכן, שיתוף2 מחקרים photortion סובלים המרה נמוכה יעילות ושיעורי התגובה בהווה. CH המפורסם ביותר4 שיעורי תשואה הם רק בכמה μ:· gקטה-1· h-1 רמות על TiO2 catalyst3,4. העיצוב והייצור של מערכות פוטוקטליטי עם יעילות המרה גבוהה ושיעור התגובה עבור הפחתת CO2 להישאר אתגר.

אחד האזור הפופולרי של מחקר לתוך CO2 זרזים לשיפור הוא להרחיב את הלהקה אור זמין לספקטרום גלוי ולשפר את יעילות הניצול של אורכי גל אלה5,6. במקום זאת, בכתב יד זה, אנו משתדלים להגדיל את קצב התגובה על ידי שיפור עוצמת האור. ככוח המניע של תגובת פוטוקטליטי הוא אור סולארי, הרעיון הבסיסי הוא להשתמש בטכנולוגיית ריכוז כדי להעלות את האירוע עוצמת אור סולארית, ולכן, להגדיל את קצב התגובה. הדבר דומה לתהליך תרמוקטליטי, שבו ניתן להגדיל את קצב התגובה על-ידי הגברת הטמפרטורה. כמובן, לא ניתן להגדיל את אפקט הטמפרטורה בצורה אינסופית, ובדומה לעוצמת האור; המטרה העיקרית של מחקר זה היא למצוא את עוצמת האור או יחס הריכוז המתאים.

זה לא הניסוי הראשון שמשתמש בריכוז הטכנולוגיה. למעשה, זה כבר בשימוש נרחב ריכוז כוח סולארית ושפכים טיפול במים7,8. ביואטיליים כגון נסורת עץ אשור ניתן pyrolyzed בכור השמש9,10. חלק מהדוחות הקודמים הזכירו את השיטה לשיתוף2 ,11,12,13. דוגמה אחת הציגה הפרש 50% בתפוקת המוצר כאשר עוצמת האור הכפילה14. הקבוצה שלנו מצאה כי אור הריכוז יכול להעלות את CH4 קצב תשואה עם עלייה עד 12 קיפול בעוצמה. בנוסף, טיפול מקדים של זרז לפני התגובה על ידי ריכוז האור יכול עוד יותר להגדיל את CH4 שיעור תשואה15. כאן, אנו מדגימים את המערכת הניסיונית ואת השיטה בפרוטרוט.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

שים לב: נא להתייעץ עם כל גליונות הנתונים הרלוונטיים של בטיחות חומרים (MSDS) לפני הפעולה. מספר כימיקלים הם דליקים ומאוד מאכל. התמקדות באור עלולה לגרום לעוצמת אור מזיקה ולעלייה בטמפרטורה. אנא השתמשו בכל מתקני הבטיחות המתאימים כגון ציוד הגנה אישי (כוסות בטיחות, כפפות, מעילים, מכנסיים וכו ').

1. הכנה Catalyst

  1. הכנת TiO2 על ידי אנוזציה
    הערה: אנו משתמשים בסכיני מתכת ובנייר לסכל כשני אלקטרודות נגד. שתי האלקטרודות מכניסים. לאלקטרוליט כאשר משתמשים בחשמל, המתכת באתר האנאודה מחמצדת.
    1. התמוססות 0.3 g של NH4F ו-2 מ ל של H2O לתוך 100 mL של גליקול בגביע 200-mL עם מערבב כדי ליצור את האלקטרוליט. הכניסו את הגביע עם האלקטרוליט לאמבט מים ב45 ° c.
    2. חתוך את נייר הכסף Ti (50 x 250 mm גודל) עם מספריים כדי 25 x 25 מ"מ.
    3. פולנית משטח רדיד לסכל עם נייר זכוכית 7,000-mesh כדי להסיר את פני השטח זיהומים.
    4. לטבול את רדיד האלומיניום בבקבוקון נפחי המכיל 15 מ ל אתנול, ואז בקבוקון עם 15 מ ל של אצטון, לאחר מכן לטפל בו 15 דקות עם מנקה אולטראסאונד. להוציא את נייר הכסף Ti, לשטוף אותו 3-5x עם מים מוהים, ולמקם אותו בבקבוקון נפחי המכיל 20 מ ל אתנול.
    5. התמוססות 10 מ ל של H2או, 5 מ ל של hno3, 3 מל של h2o 2, 1 מ"ל של 18% wt (NH2)2CO, ו 1 ml של 18% wt NH4F לתוך גביע 100-ml כדי ליצור פתרון ליטוש.
    6. להוציא את הנייר הכסף Ti מבקבוק האתנול, לשטוף אותו 3x עם מים מפוהים, ולשים אותו לתוך ליטוש פתרון עבור 2-3 דקות. הסר את נייר הכסף של Ti ושטוף אותו במים מפוהים עבור 3x.
    7. השתמש בקליפ תנין אנודת כדי להחזיק בנייר הכסף Ti שטופלו מראש ובקליפ אחר כדי להחזיק את הנייר Pt (25 x 25 מ"מ). מניחים את שני הרחפות פנים אל פנים באלקטרוליט במרחק של 2 ס מ זה מזה. הפעל את מקור הכוח הנוכחי התייצב (DC), כוון את המתח ל-50 V, ואלקטרוייז במשך 30 דקות.
    8. לאחר החלת האנוזציה, לסגור את הכוח להוציא את TiO2 רדיד אלומיניום
    9. לטבול את רדיד האלומיניום בבקבוקון נפחי המכיל 15 מ ל אתנול, ואז בקבוקון עם 15 מ ל של אצטון, לאחר מכן לטפל בו 15 דקות עם מנקה אולטראסאונד. להוציא את הנייר הכסף Ti, לשטוף אותו 3-5x עם מים מפוהים, ולמקם אותו בכור 50-mL.
    10. הניחו את הכור בתנור ב-60 מעלות צלזיוס ב-12:00 כדי לאפשר לנייר הכסף להתייבש.
    11. הקלצין את TiO2 רדיד לסכל בתנור עמעם את תחת 400 ° צ' עבור 2 h עם שיעור חימום של 2 ° צ'/מינימום.

2. בדיקות קטליטייםוניתוח P רוקט

  1. בדיקות קטליטי תחת ריכוז אור
    1. נקה את הכור בצורת גליל מפלדת אל-חלד (קוטר פנימי = 5.5 ס מ, נפח = 100 mL) עם מים מוהים ולאחר מכן יבש אותו בתנור ב 60 ° צ' עבור 10 דקות, כדי להבטיח לא הפרעה ממקורות פחמן אחרים.
    2. להוציא את הכור מהתנור, להוסיף 2 מ"ל H2O, מערבב, ומחזיק זרז (מדף קטן המחזיק את הזרז בכור), ולשים זכוכית קוורץ עם נקבוביות (קוטר = 2 ס מ) על החלק התחתון של המחזיק ו-TiO2 catalyst (קוטר = 1 ס מ) על מרכז זכוכית הקוורץ. שימו זוג תרמי דרך פתח על קיר הכור על משטח הזרז. להוסיף עדשת פרנל על החלק העליון של המחזיק ולאטום את הכור עם חלון זכוכית קוורץ.
    3. . שים את הכור על המנגנון האלקטרומגנטי בדוק את האטימות באוויר עם חנקן (N2).
    4. להאכיל את CO2 (99.99%) לתוך הכור באמצעות בקר זרימה מסה (MFC) ולשטוף את הכור לפחות 3x כדי לשנות את הגז בכור ל-CO2.
    5. מניחים את המנורה Xe 2 ס מ ישירות מעל הכור, לפתוח את כוח המנורה Xe ולהתאים את הנוכחי שלה 15 A, ולהפעיל את הבורר מגנטית מעבר כדי להתחיל את התגובה.
    6. הקלט את שינויי הטמפרטורה. על משטח הזרז ובגז
  2. ניתוח מוצרים
    1. לנתח את המוצר כל 1 h באמצעות כרומטוגרפיה גז (GC), אשר מצויד בגלאי להבה-מוהים (הפיד) ועמודה קפילר (ראה טבלת חומרים) עבור הפרדה של c1-c6 פחמימנים.
    2. חשב את מספר המוצרים על-ידי שיטת קו התקן החיצוני. לפני כימות המוצר, לבנות עיקול רגיל של מתאן (CH4).
  3. בדיקות קטליטי תחת ריכוז האור עם טיפול מקדים
    הערה: הליך זה דומה ל-2.1, עם הבדלים שצוינו.
    1. לשטוף את הכור כמו בשלב 2.1.1.
    2. להרכיב את הכור כמו בשלב 2.1.2, למעט בלי להוסיף H2O.
    3. בדוק את האטימות באוויר כמו בשלב 2.1.3.
    4. להאכיל את הגז טרום הטיפול (כגון אוויר, N2 ו-H2O) לתוך הכור דרך MFC ו-exchange הגז שלוש פעמים ברציפות כדי להפוך את הכור טהור הטיפול הקדם.
    5. להתאים את המנורה כמו בשלב 2.1.5.
    6. לשמור על הזרז תחת אור (10 להתרכז יחס) התאורה עבור 1 h באטמוספירה אוויר, ואז לכבות את המנורה Xe ואת מערבב מגנטי כדי לסיים טרום טיפול.
    7. להאכיל את CO2 (99.99%) לתוך הכור כמו בשלב 2.1.4.
    8. הכנס 2 מ ל2מטרים לתוך הכור מפתח הקיר. פתח את המנורה Xe כוח מגנטי להתחיל את התגובה כמו שלב 2.1.5.
    9. הקלט את שינוי הטמפרטורה כמו בשלב 2.1.6.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

מערכת הכור פוטוקטליטי המקורי מכיל בעיקר שני רכיבים, מנורה Xe ו המחולל גליל נירוסטה. עבור הריכוז מערכת המחולל אור, הוספנו עדשת פרנל ומחזיק זרז, כפי שמוצג באיור 1. עדשת פרנל משמשת לרכז את האור באזור קטן יותר. ככל שהאור היה מרוכז, יש להציב את הזרז באזור מואר; לכן, הזרז מורכב לצורת דיסק, ומחזיק משמש להחזיק את הזרז באזור זה.

כאשר נעשה שימוש בשיטת האנוזציה, שכבה של מערכי ננוtube של TiO הטופס על נייר הכסף....

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

ריכוז האור מפחית את אזור התקרית הקלה ודורש שימוש בזרז בצורת דיסק או במחולל שנקרא מיטה קבועה כדי להחזיק את הזרז. מאז מקור האור הוא בדרך כלל מנורה בצורת עגול, את הצורה של הזרז צריך גם להיות עגול. כדי להשיג דיסק עגול, ניתן ללחוץ על האבקה לתוך דיסק על-ידי שולחנות או לשנות את רדיד המתכת לתוך תחמוצת על-ידי אנוזציה. שיטת האנוזציה משתמשת בחשמל כדי לחמצן את המתכת למוליכים למחצה של תחמוצת. כפי שקודמן מתכת כבר גיליון או נייר כסף, זה יכול להיות גזוז יותר בקלות לאחר חמצון מבלי לשבור אותו.

גורם נוסף שצריך ל...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

. למחברים אין מה לגלות

תודות

עבודה זו נתמכת על ידי הקרן המדע הטבעי של סין (מס ' 21506194, 21676255).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
נייר כסף, 99.99%הביי מתכת טכנולוגיה ושות', בע"מ
נייר כסף Pt, 99.99%טיאנג'ין אאידה Henghao טכנולוגיה ושות', בע"מ
אמוניום פלואוריד, 98%אלאדיןA111758רגיש ללחות
, >99.9%אלאדיןE103323
אתנול נטול מים,>99.9%אלאדיןE111977דליק
, >99.5%האנגג'ואו שואנגלין כימיקלים בע"מ200-662-2ריח מגרה
חומצה חנקתית, 65.0%-68.0%האנגג'ואו שואנגלין כימיקלים ושות', בע"מ231-714-2רגיש ללחות
, 30 wt. % ב-H2OAladdinH112515חמצונית
חזקה, 99%AladdinU111897
מים נטולי יונים, 99.00%מתוצרת
, CELHXF300/CELHXUV300Beijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.
כור צילינדר אל חלד, CEL-GPPCבייג'ינג Zhongjiao Jinyuan ושות', בע"מ
עדשת פרנל, MYlensMeiying Technology Co., Ltd.
7000 נייר זכוכית רשתZibo Taichuan Abrasives Co., Ltd.
מנקה אולטראסוני, SK2210HPשנחאי Kedao מכשיר אולטרסאונד ושות', בע"מ
אמבט מים תרמוסטטי, DF-101SBoncie Instrument Technology Co., Ltd.
קליפ תניןגואנגג'ואו Rongyu ושות', בע"מ
מקור מתח קבוע DC, DY-150V 2Aשנחאי אנדינג אלקטריק ושות', בע"מ
תנור מופל, KSL-1200XHefei Kejing Materials Technolgy Co., Ltd.
זכוכית קוורץLianyungang Weida קוורץ מוצרים ושות', בע"מ
צמדים תרמיים, WRNK-191KFeiyang אביזרי חשמל ושות', בע"מ
מערבל אלקטרונמגנטי, 85-2שנחאי Zhiwei מכשירי חשמל ושות', בע"מ
משאבת ואקום, SHB-IIIAמחוז הנאן Taikang מפעל
כרומטוגרף גז, GC2014SHIMAPZU
HT-PLOT Q עמודה נימיתHychrom
מד כוח אופטי, CEL-NP2000בייג'ינג Zhongjiao Jinyuan ושות', בע"מ
משקל אלקטרוני, JJ124BCשנחאי Jingtian מכשירים אלקטרוניים ושות', בע"מ
גליקול אצטון מי חמצן אוריאה מנורת Xe מעבדהציוד מדע וחינוך

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

XRDSEM
CO2 פוטותורזציה ל-CH4 ביצועים תחת ריכוז אור סולארי
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.