Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Fotoredukcja CO2 do wydajności CH4 przy skoncentrowanym świetle słonecznym

6.5K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/58661

⸱

12 czerwca 2019

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

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiamy protokół poprawy wydajności fotoredukcji CO2 do CH4 poprzez zwiększenie intensywności padającego światła poprzez technologię koncentracji energii słonecznej.

Streszczenie

Demonstrujemy metodę poprawy fotoredukcji CO2. Ponieważ siłą napędową reakcji fotokatalitycznej jest światło słoneczne, podstawową ideą jest wykorzystanie technologii koncentracji do zwiększenia intensywności padającego światła słonecznego. Skupienie światła o dużej powierzchni na małym obszarze nie tylko zwiększa intensywność światła, ale także zmniejsza ilość katalizatora, a także objętość reaktora i zwiększa temperaturę powierzchni. Koncentracja światła może być realizowana za pomocą różnych urządzeń. W tym manuskrypcie jest to realizowane przez soczewkę Fresnela. Światło przenika przez soczewkę i jest skoncentrowane na katalizatorze w kształcie dysku. Wyniki pokazują, że zarówno szybkość reakcji, jak i całkowita wydajność są skutecznie zwiększane. Metodę można zastosować do większości katalizatorów fotoredukcji CO2 , a także do podobnych reakcji o niskiej szybkości reakcji w świetle naturalnym.

Wprowadzenie

Wykorzystaniu paliw kopalnych towarzyszy duża emisja CO2, co w znacznym stopniu przyczynia się do globalnego ocieplenia. Wychwytywanie, składowanie i przetwarzanie CO2 są niezbędne do zmniejszenia zawartości CO2 w atmosferze1. Fotoredukcja CO2 do węglowodorów może zmniejszyć CO2 , przekształcić CO2 w paliwa i oszczędzać energię słoneczną. Jednak CO2 jest niezwykle stabilną cząsteczką. Jego wiązanie C=O ma wyższą energię dysocjacji (około 750 kJ/mol)2. Oznacza to, że CO2 jest bardzo trudny do aktywacji i transformacji, a tylko światła o krótkiej długości fali i wysokiej energii mogą działać podczas tego procesu. W związku z tym badania fotoredukcji CO2 mają obecnie niską wydajność konwersji i szybkość reakcji. Większość zgłaszanych wskaźników wydajności CH4 występuje tylko na kilku poziomachμmol·g cata-1·h-1 na katalizatorze TiO23,4. Wyzwaniem pozostaje projektowanie i wytwarzanie systemów fotokatalitycznych o wysokiej wydajności konwersji i szybkości reakcji w celu redukcji CO2 .

Jednym z popularnych obszarów badań nad katalizatorami fotoredukcji CO2 jest poszerzenie dostępnego pasma światła do widma widzialnego i zwiększenie efektywności wykorzystania tych długości fal5,6. Zamiast tego w tym manuskrypcie staramy się zwiększyć szybkość reakcji poprzez zwiększenie natężenia światła. Ponieważ siłą napędową reakcji fotokatalitycznej jest światło słoneczne, podstawową ideą jest wykorzystanie technologii koncentracji do zwiększenia intensywności padającego światła słonecznego, a tym samym zwiększenia szybkości reakcji. Jest to podobne do procesu termokatalitycznego, w którym szybkość reakcji można zwiększyć poprzez zwiększenie temperatury. Oczywiście efekt temperatury nie może nie być zwiększany w nieskończoność, podobnie jak natężenie światła; Głównym celem tych badań jest znalezienie odpowiedniego stosunku natężenia lub stężenia światła.

To nie jest pierwszy eksperyment, w którym wykorzystuje się technologię koncentracji. W rzeczywistości jest szeroko stosowany w koncentracji energii słonecznej i oczyszczaniu ścieków7,8. Biomateriały, takie jak trociny z drewna bukowego, mogą być pirolizowane w reaktorze słonecznym9,10. Niektóre wcześniejsze raporty wspominały o metodzie fotoredukcji CO2 11,12,13. Jedna próbka wykazała 50% wzrost wydajności produktu po podwojeniu natężenia światła14. Nasza grupa odkryła, że skupienie światła może zwiększyć wydajność CH4 przy nawet 12-krotnym wzroście intensywności. Ponadto wstępna obróbka katalizatora przed reakcją poprzez koncentrację światła może jeszcze bardziej zwiększyć współczynnik plastyczności CH4 15. Tutaj szczegółowo demonstrujemy system i metodę eksperymentalną.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Uwaga: Proszę zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi Kartami Charakterystyki Substancji Niebezpiecznej (MSDS) przed rozpoczęciem pracy. Kilka chemikaliów jest łatwopalnych i silnie. Skupienie światła może powodować szkodliwe natężenie światła i wzrost temperatury. Należy używać wszystkich odpowiednich urządzeń ochronnych, takich jak środki ochrony osobistej (okulary ochronne, rękawice, fartuchy laboratoryjne, spodnie itp.).

1. Przygotowanie katalizatora

  1. Przygotowanie TiO2 przez anodowanie
    Uwaga: Anodowanie wykorzystuje folie metalowe i folię Pt jako dwie przeciwelektrody. Dwie elektrody są umieszczane w elektrolicie. Za pomocą elektryczności folie metalowe w miejscu anody są utleniane.
    1. Rozpuścić 0,3 g NH4F i 2 mlH2Ow 100 ml glikolu w zlewce o pojemności 200 ml z mieszadłem, aby utworzyć elektrolit. Umieścić zlewkę z elektrolitem w łaźni wodnej o temperaturze 45 °C.
    2. Przytnij folię Ti (rozmiar 50 x 250 mm) nożyczkami do 25 x 25 mm.
    3. Wypoleruj powierzchnię folii Ti papierem ściernym o oczkach 7 000, aby usunąć zanieczyszczenia powierzchni.
    4. Zanurz folię Ti w kolbie miarowej zawierającej 15 ml etanolu, następnie w kolbie z 15 ml acetonu, a następnie poddaj ją działaniu myjki ultradźwiękowej przez 15 minut. Wyjmij folię Ti, opłucz ją 3 - 5 razy wodą dejonizowaną i umieść w kolbie miarowej zawierającej 20 ml etanolu.
    5. Rozpuścić 10 mlH2O, 5 ml HNO3, 3 mlH2O2, 1 ml 18% wag. (NH2)2CO i 1 ml 18% wag. NH4F w zlewce o pojemności 100 ml, aby utworzyć roztwór do polerowania.
    6. Folię Ti wyjmujemy z kolby etanolowej, płuczemy ją 3x wodą dejonizowaną, a następnie wkładamy do roztworu polerskiego na 2 - 3 min. Zdejmujemy folię Ti i myjemy ją wodą dejonizowaną przez 3x.
    7. Użyj zacisku krokodowego anodowego, aby przytrzymać wstępnie obrobioną folię Ti i drugi klips do przytrzymania folii Pt (25 x 25 mm). Umieść dwie folie twarzą w twarz w elektrolicie w odległości 2 cm od siebie. Włącz źródło zasilania prądem stałym (DC), dostosuj napięcie do 50 V i elektrolizuj przez 30 minut.
    8. Po zakończeniu anodowania zamknij zasilanie i wyjmij folię TiO2
    9. Zanurz folię Ti w kolbie miarowej zawierającej 15 ml etanolu, następnie w kolbie z 15 ml acetonu, a następnie poddaj ją działaniu myjki ultradźwiękowej przez 15 minut. Wyjmij folię Ti, opłucz ją 3-5 razy wodą dejonizowaną i umieść w tyglu o pojemności 50 ml.
    10. Umieścić tygiel w suszarce nagrzanej do 60 °C na 12 godzin, aby folia wyschła.
    11. Folię TiO2 kalcynować w piecu muflowym w temperaturze poniżej 400 °C przez 2 godziny z szybkością nagrzewania 2 °C/min.

2. Testy katalityczne ianaliza produktu P

  1. Badania katalityczne w skoncentrowanym świetle
    1. Wyczyść nierdzewny reaktor w kształcie cylindra (średnica wewnętrzna = 5,5 cm, objętość = 100 ml) wodą dejonizowaną, a następnie wysusz go w piecu w temperaturze 60 °C przez 10 minut, aby zapewnić brak zakłóceń ze strony innych źródeł węgla.
    2. Wyjmij reaktor z piekarnika, dodaj 2 ml H2O, mieszadło i uchwyt katalizatora (mała półka, która utrzymuje katalizator w reaktorze) i umieść szkło kwarcowe z porami (średnica = 2 cm) na dnie uchwytu i katalizator TiO2 (średnica = 1 cm) na środku szkła kwarcowego. Przełóż termoparę przez otwór w ścianie reaktora na powierzchni katalizatora. Dodaj soczewkę Fresnela na górze uchwytu i uszczelnij reaktor okienkiem ze szkła kwarcowego.
    3. Umieść reaktor na aparacie elektromagnetycznym. Sprawdzić szczelność za pomocą azotu (N2).
    4. Wprowadzić CO2 (99,99%) do reaktora przez regulator przepływu masowego (MFC) i przepłukać reaktor co najmniej 3 razy, aby zmienić gaz w reaktorze na CO2 .
    5. Umieść lampę Xe 2 cm bezpośrednio nad reaktorem, otwórz moc lampy Xe i ustaw jej prąd na 15 A, a następnie włącz przełącznik mieszadła magnetycznego, aby rozpocząć reakcję.
    6. Rejestruj zmianę temperatury na powierzchni katalizatora i w gazie.
  2. Analiza produktu
    1. Produkt należy analizować co 1 godzinę za pomocą chromatografii gazowej (GC), która jest wyposażona w detektor płomieniowo-jonizacyjny (FID) i kolumnę kapilarną (patrz tabela materiałów) do rozdzielania węglowodorów C1-C 6.
    2. Obliczyć liczbę produktów metodą linii wzorca zewnętrznego. Przed określeniem ilościowym produktu należy zbudować krzywą wzorcową metanu (CH4).
  3. Badania katalityczne w skoncentrowanym świetle z obróbką wstępną
    Uwaga: Ta procedura jest podobna do 2.1, z zaznaczonymi różnicami.
    1. Przemyć reaktor jak w kroku 2.1.1.
    2. Zmontować reaktor jak w kroku 2.1.2, z wyjątkiem braku dodawaniaH2O.
    3. Sprawdź szczelność jak w kroku 2.1.3.
    4. Wprowadzić gaz do obróbki wstępnej (taki jak powietrze,N2 iH2O) do reaktora przez MFC i wymienić gaz trzy razy z rzędu, aby reaktor był czystym gazem do obróbki wstępnej.
    5. Wyreguluj lampę jak w kroku 2.1.5.
    6. Utrzymuj katalizator pod światłem (współczynnik koncentracji 10) przez 1 godzinę w atmosferze powietrza, a następnie wyłącz lampę Xe i mieszadło magnetyczne, aby zakończyć obróbkę wstępną.
    7. Wprowadzić CO2 (99,99%) do reaktora, jak w kroku 2.1.4.
    8. Wstrzyknąć 2 mlH2Odo reaktora przez otwór w ścianie. Otwórz lampę Xe i mieszadło magnetyczne, aby rozpocząć reakcję zgodnie z krokiem 2.1.5.
    9. Zapisz zmianę temperatury jak w kroku 2.1.6.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Oryginalny system reaktora fotokatalitycznego składa się głównie z dwóch komponentów: lampy Xe oraz reaktora w postaci cylindra ze stali nierdzewnej. W przypadku systemu reaktora z koncentracją światła dodano soczewkę Fresnela oraz uchwyt katalizatora, jak pokazano na Rysunku 1. Soczewka Fresnela służy do koncentracji światła na mniejszej powierzchni. Ponieważ światło zostaje skoncentrowane, katalizator musi zostać umieszczony w obszarze oświetlonym; dlatego ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Skupienie światła zmniejsza obszar padania światła i wymaga użycia katalizatora w kształcie dysku lub tak zwanego reaktora ze złożem stałym do utrzymania katalizatora. Ponieważ źródłem światła jest zwykle lampa o okrągłym kształcie, kształt katalizatora również powinien być okrągły. Aby uzyskać okrągły krążek, możliwe jest wciśnięcie proszku w krążek przez tabletkowanie lub zmiana folii metalowej w tlenek przez anodowanie. Metoda anodowania wykorzystuje energię elektryczną do utleniania metalu do półprzewodnika tlenkoweg...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca jest wspierana przez Chińską Fundację Nauk Przyrodniczych (nr 21506194, 21676255).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Folia Ti, 99,99%Hebei Metal Technology Co., Ltd.
Folia pt, 99,99%Tianjin Aida Henghao Technology Co., Ltd.
Fluorek amonu, 98%AladdinA111758Glikol wrażliwy na wilgoć
, >99,9%AladdinE103323
Bezwodny etanol, >99,9%AladdinE111977łatwopalny
aceton, >99,5%Hangzhou Shuanglin Chemical Co., Ltd.200-662-2Drażniący zapach
Kwas azotowy, 65,0% -68,0%Hangzhou Shuanglin Chemical Co., Ltd.231-714-2Nadtlenek
, 30 % wag. w H2OAladdinH112515Silnie utleniający
mocznik, 99%AladdinU111897
Woda dejonizowana, 99,00%Lampa Xe wyprodukowana
, CELHXF300/CELHXUV300Beijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.
Reaktor cylindryczny ze stali nierdzewnej, CEL-GPPCBeijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.
Soczewka Fresnela, MYlensMeiying Technology Co., Ltd.
Papier ścierny o siatce 7000Zibo Taichuan Abrasives Co., Ltd.
Myjka ultradźwiękowa, SK2210HPShanghai Kedao Ultrasonic Instrument Co., Ltd.
Termostatyczna łaźnia wodna, DF-101SBoncie Instrument Technology Co., Ltd.
Zacisk krokodylkowyGuangzhou Rongyu Co., Ltd.
Źródło stałego napięcia DC, DY-150V 2AShanghai Anding Electric Co., Ltd.
Piec muflowy, KSL-1200XHefei Kejing Materials Technolgy Co., Ltd.
Szkło kwarcoweLianyungang Weida Quartz Products Co., Ltd.
Termopary, WRNK-191KFeiyang Electric Accessories Co., Ltd.
Mieszadło elektromagnetyczne, 85-2Shanghai Zhiwei Electric Appliance Co., Ltd.
Pompa próżniowa, SHB-IIIA ProwincjaHenan Fabryka
Chromatograf gazowy, GC2014Kolumna
HT-PLOT Q Hychrom
Miernik mocy optycznej, CEL-NP2000Pekin Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.
Waga elektroniczna, JJ124BCShanghai Jingtian Electronic Instrument Co., Ltd.
wodoru wrażliwy na wilgoćw laboratoriumsprzętu naukowego i edukacyjnego Taikang kapilarna SHIMAPZU

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Produkcja metanukoncentracja energii s onecznejdwutlenek tytanusoczewka Fresnelareakcja fotokatalitycznachromatografia gazowacharakterystyka XRDanaliza SEMwydajno metanu
Fotoredukcja CO2 do wydajności CH4 przy skoncentrowanym świetle słonecznym
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.