Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

CO2 Photoreduction к CH4 Производительность под концентрацией солнечного света

6.5K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/58661

⸱

12 июня 2019 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Мы представляем протокол для повышения производительности CO2 photoreduction до CH4 за счет повышения интенсивности света инцидента с помощью концентрации солнечной энергии технологии.

Аннотация

Мы демонстрируем метод повышения фотоreduction CO 2. Как движущей силой фотокаталитическая реакция от солнечного света, основная идея заключается в использовании технологии концентрации, чтобы поднять интенсивность инцидента солнечного света. Концентрация большого света на небольшой площади не только не только увеличит интенсивность света, но и уменьшает количество катализатора, а также объем реактора и повышает температуру поверхности. Концентрация света может быть реализована различными устройствами. В этой рукописи она реализуется с помощью объектива Френеля. Свет проникает в объектив и концентрируется на дискообразном катализаторе. Результаты показывают, что и скорость реакции, и общая доходность эффективно увеличиваются. Метод может быть применен к большинству катализаторов фотоreduction CO 2, а также к аналогичным реакциям с низкой скоростью реакции при естественном освещении.

Введение

Использование ископаемых видов топлива сопровождается большим количеством выбросов CO 2, что в значительной степени способствует глобальному потеплению. Улавливание, хранение и конверсия CO2 необходимы для снижения содержания CO2 в атмосфере1. Фотосокращение CO2 к углеводородамможет уменьшить CO 2, преобразовать CO2 в топливо и сэкономить солнечную энергию. Тем не менее, CO2 является чрезвычайно стабильной молекулой. Его связь СЗО обладает более высокой энергией диссоциации (около 750 кДж/моль)2. Это означает, что CO2 очень трудно быть активированы и преобразованы, и только коротковолновые огни с высокой энергией может быть функциональным во время процесса. Таким образом, CO2 фотоreduction исследования страдают от низкой эффективности преобразования и скорость реакции в настоящее время. Большинство сообщили CH4 урожайность ставки только на несколько qmol'gката-1ч-1 уровни на Катализатор TiO2 3,4. Проектирование и изготовление фотокаталитических систем с высокой эффективностью конверсии и скоростью реакции для сокращения выбросов CO2 остаются сложной задачей.

Одной из популярных областей исследований co2 photoreduction катализаторов является расширение доступного светового диапазона до видимого спектра и повышения эффективности использования этих длин волн5,6. Вместо этого, в этой рукописи, мы пытаемся увеличить скорость реакции за счет повышения интенсивности света. Поскольку движущей силой фотокаталитическая реакция является солнечный свет, основная идея заключается в использовании технологии концентрации для повышения интенсивности солнечного света и, следовательно, увеличения скорости реакции. Это похоже на термокаталитический процесс, где скорость реакции может быть увеличена за счет повышения температуры. Конечно, эффект температуры не может быть увеличен бесконечно, и также с интенсивностью света; основной целью этого исследования является поиск подходящей интенсивности света или соотношения концентрации.

Это не первый эксперимент, в ходе которого используется технология концентрации. В самом деле, он был широко использован в концентрации солнечной энергии и очистки сточных вод7,8. Биоматериалы, такие как буковые древесные опилки могут быть pyrolyzed в солнечном реакторе9,10. Некоторые предыдущие доклады упоминали метод для CO2 photoreduction11,12,13. Один образец показал 50% приращения в выходе продукта, когда интенсивность света была удвоена14. Наша группа обнаружила, что концентрация света может повысить коэффициент урожайности CH4 с увеличением интенсивности до 12 раз. Кроме того, предварительная обработка катализатора перед реакцией путем концентрации света может еще больше увеличить коэффициент урожайности CH4 15. Здесь мы подробно демонстрируем экспериментальную систему и метод.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Внимание: Пожалуйста, проконсультируйтесь со всеми соответствующими листами данных о безопасности материалов (MSDS) перед эксплуатацией. Некоторые химические вещества легковоспламеняющиеся и сильно коррозионные. Концентрация света может вызвать вредную интенсивность света и повышение температуры. Пожалуйста, используйте все соответствующие устройства безопасности, такие как средства индивидуальной защиты (защитные очки, перчатки, лабораторные пальто, брюки и т.д.).

1. Подготовка катализатора

  1. Подготовка TiO2 по анодизации
    Примечание: Анодизация использует металлическую фольгу и фольгу Pt в качестве двух контр-электродов. Два электрода помещаются в электролит. Используя электричество, металлическая фольга на месте анода окисляется.
    1. Растворите 0,3 г NH4F и 2 мл H2O в 100 мл гликоля в 200-мл стакан с мешалкой для формирования электролита. Положите стакан с электролитом в водяную ванну 45 градусов по Цельсию.
    2. Обрезать фольгу Ti (размер 50 x 250 мм) ножницами до 25 х 25 мм.
    3. Польская поверхность фольги Ti с 7000-сетной наждачной бумагой для удаления поверхностных примесей.
    4. Погрузите фольгу Ti в объемную колбу, содержащую 15 мл этанола, затем колбу с 15 мл ацетона, затем обработайте ее в течение 15 минут ультразвуковым очистителем. Выняйте фольгу Ti, промыть ее 3 - 5x деионизированной водой и поместите ее в объемную колбу, содержащую 20 мл этанола.
    5. Растворите 10 мл H2O, 5 мл HNO3, 3 мл H2O2, 1 мл 18% Wt (NH2)2CO, и 1 мл 18% WT NH4F в 100-мл стакан для формирования полировки раствора.
    6. Вынуть фольгу Ти из этаноловой колбы, промыть ее в 3 x деионизированной водой и положить в полировку на 2 - 3 мин. Удалите фольгу Ти и промойте ее деионированной водой в течение 3 раз.
    7. Используйте анодный клип аллигатора, чтобы держать предварительно обработанную фольгу Ti и другой клип для удержания фольги Pt (25 x 25 мм). Поместите две фольги лицом к лицу в электролит на расстоянии 2 см друг от друга. Включите прямой ток (DC) стабилизировал источник питания тока, настройте напряжение до 50 В и электролиз в течение 30 мин.
    8. После анодизации закончил, закрыть власть и вывезти TiO2 фольги
    9. Погрузите фольгу Ti в объемную колбу, содержащую 15 мл этанола, затем колбу с 15 мл ацетона, затем обработайте ее в течение 15 минут ультразвуковым очистителем. Выняйте фольгу Ti, промойте ее 3 - 5x деионизированной водой и поместите в тигель 50 мл.
    10. Положите тигель в духовку при температуре 60 градусов по Цельсию в течение 12 ч, чтобы фольга высохла.
    11. Calcine TiO2 фольги в муфте печь под 400 градусов по Цельсию в течение 2 ч с скоростью нагрева 2 C/min.

2. Каталиттические тесты ианализ продуктов P

  1. Каталитические тесты под концентрирующимся светом
    1. Очистите реактор в форме нержавеющей цилиндра (внутренний диаметр 5,5 см, объем 100 мл) деионизированной водой, а затем высушите его в духовке при температуре 60 градусов по Цельсию в течение 10 минут, чтобы обеспечить отсутствие помех от других источников углерода.
    2. Вынуть реактор из духовки, добавить 2 мл Н2O, мешалку и держатель катализатора (небольшая полка, которая держит катализатор в реакторе), и положить кварцевое стекло с порами (диаметр ю 2 см) на дно держателя и Катализатор TiO2 (диаметр 1 см) на центр кварцевого стекла. Положите термопару через отверстие на стенке реактора на поверхности катализатора. Добавьте линзу Френеля на верхнюю часть держателя и загерметизуйте реактор кварцевое стекло.
    3. Поставьте реактор на электромагнитный аппарат. Проверьте герметичность с азотом (N2).
    4. Кормите CO2 (99.99%) в реактор через контроллер потока массы (MFC) и промыть реактор по крайней мере 3x, чтобы изменить газ в реакторе на CO2.
    5. Поместите лампу Xe на 2 см прямо над реактором, откройте мощность лампы Xe и отрегулируйте ее ток до 15 А, и включите магнитный переключатель мешалки, чтобы начать реакцию.
    6. Запишите изменение температуры на поверхности катализатора и в газе.
  2. Анализ продукции
    1. Проанализируйте продукт каждый 1 ч с помощью газовой хроматографии (ГК), которая оснащена огненно-ионизированным детектором (FID) и капиллярной колонкой (см. Таблицаматериалов) для разделения C1-C6 углеводородов.
    2. Рассчитайте количество продуктов методом внешней стандартной линии. Перед количественной оценкой продукта постройте стандартную кривую метана (CH4).
  3. Каталитические тесты при концентрации света с предварительной обработкой
    Примечание: Эта процедура аналогична 2.1, с отмеченными различиями.
    1. Реактор вымойте как в шаге 2.1.1.
    2. Соберите реактор как в шаге 2.1.2, за исключением без добавления H2O.
    3. Проверьте герметичность воздуха как в шаге 2.1.3.
    4. Кормите предочистуемый газ (например, воздух, N2 и H2O) в реактор через МФК и обменивайгаз три раза подряд, чтобы сделать реактор чистым дообработкой газа.
    5. Отрегулируйте лампу как в шаге 2.1.5.
    6. Держите катализатор под светом (10 концентрационный коэффициент) освещение в течение 1 ч в воздушной атмосфере, а затем выключите лампу Xe и магнитный мешалку, чтобы закончить предварительную обработку.
    7. Кормите CO2 (99.99%) в реактор, как в шаге 2.1.4.
    8. Впрысните 2 мл Н2O в реактор от открытия стены. Откройте лампу Xe и магнитный мешалку власти, чтобы начать реакцию как шаг 2.1.5.
    9. Запишите изменение температуры как в шаге 2.1.6.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Оригинальная система фотокаталитического реактора в основном состоит из двух компонентов: лампы Xe и реактора из нержавеющей цилиндрической системы. Для концентрации системы светового реактора мы добавили объектив Френеля и держатель катализатора, как показано на рисунке 1. Объектив Френеля используется для концентрации света на меньшей площади. Поскольку свет был сконцентрирован, катализатор должен быть помещен в освещенную область; таким образом, катализато...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Концентрация света уменьшает область световых происшествий и требует использования дискообразного катализатора или так называемого реактора с фиксированной кроватью для удержания катализатора. Так как источник света, как правило, круглая форма лампы, форма катализатора также должна быть круглой. Для получения круглого диска можно нажать порошок на диск планшетом или превратить металлическую фольгу в оксид путем анодизации. Метод анодизации использует электричество для окисления металла к полупроводнику оксида. Поскольку ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа поддерживается Фондом естественных наук Китая (No 21506194, 21676255).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Титановая фольга, 99,99%Hebei Metal Technology Co., Ltd.
Pt фольга, 99,99%Tianjin Aida Henghao Technology Co., Ltd.
Фторид аммония, 98%АладдинA111758чувствительный к влажности
гликоль, >99,9%АладдинE103323
безводный этанол, >99,9%АладдинE111977легковоспламеняющийся
ацетон, >99,5%Hangzhou Shuanglin Chemical Co., Ltd.200-662-2Раздражающий запах
азотной кислоты, 65,0%-68,0%Hangzhou Shuanglin Chemical Co., Ltd.231-714-2Чувствительная к влажности
перекись водорода, 30 мас.% в H2OАладдинH112515сильная окислительная
мочевина, 99%АладдинU111897
деионизированная вода, 99,00%Лабораторная
лампа Xe, CELHXF300/CELHXUV300Beijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.
Реактор с нержавеющим цилиндром, CEL-GPPCBeijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.
Линза Френеля, MYlensMeiying Technology Co., Ltd.
Наждачная бумага 7000 мешZibo Taichuan Abrasives Co., Ltd.
Ультразвуковой очиститель, SK2210HPShanghai Kedao Ultrasonic Instrument Co., Ltd.
Термостатическая водяная баня, DF-101SBoncie Instrument Technology Co., Ltd.
Зажим из кожи аллигатораGuangzhou Rongyu Co., Ltd.
Источник постоянного напряжения, DY-150 В 2 АShanghai Anding Electric Co., Ltd.
Муфельная печь, KSL-1200XHefei Kejing Materials Technolgy Co., Ltd.
Кварцевое стеклоLianyungang Weida Quartz Products Co., Ltd.
Термопары, WRNK-191KFeiyang Electric Accessories Co., Ltd.
Электромагнитная мешалка, 85-2Shanghai Zhiwei Electric Appliance Co., Ltd.
Вакуумный насос, SHB-IIIAпровинция Хэнань Тайканский завод
Газовый хроматограф, GC2014SHIMAPZU
HT-PLOT Q капиллярная колонкаHychrom
Измеритель оптической мощности, CEL-NP2000Пекин Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.
Электронные весы, JJ124BCShanghai Jingtian Electronic Instrument Co., Ltd.
научного и образовательного оборудования

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

XRD
CO2 Photoreduction к CH4 Производительность под концентрацией солнечного света
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.