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Engineering

CO2 photoreduction para CH4 desempenho a concentração de luz solar

doi: 10.3791/58661 Published: June 12, 2019

Summary

Nós apresentamos um protocolo para melhorar o desempenho de co2 fotorredução a ch4 aumentando a intensidade de luz incidente através da tecnologia de energia solar de concentração.

Abstract

Nós demonstramos um método para o realce do photoreduction do CO2 . Como a força motriz de uma reação fotocatalítica é da luz solar, a idéia básica é usar a tecnologia de concentração para elevar a intensidade da luz solar incidente. Concentrar uma luz da grande-área em uma área pequena não pode somente aumentar a intensidade de luz, mas igualmente reduz a quantidade do catalizador, assim como o volume do reator, e aumenta a temperatura de superfície. A concentração de luz pode ser realizada por diferentes dispositivos. Neste manuscrito, é realizado por uma lente de Fresnel. A luz penetra a lente e está concentrada em um catalisador em forma de disco. Os resultados mostram que tanto a taxa de reação quanto o rendimento total são eficientemente aumentados. O método pode ser aplicado à maioria dos catalisadores de fotoreeduction CO2 , bem como a reações semelhantes com uma baixa taxa de reação à luz natural.

Introduction

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A utilização de combustíveis fósseis é acompanhada por grandes quantidades de emissões de CO2 , contribuindo grandemente para o aquecimento global. CO2 captura, armazenamento e conversão são essenciais para reduzir o conteúdo de co2 na atmosfera1. A fotorredução de co2 para hidrocarbonetos pode reduzir co2, converter co2 para combustíveis, e economizar energia solar. No entanto, CO2 é uma molécula extremamente estável. Sua ligação de C = O possui uma energia mais elevada da dissociação (aproximadamente 750 kJ/mol)2. Isto significa que CO2 é muito difícil de ser ativado e transformado, e apenas curto comprimento de onda luzes com alta energia pode ser funcional durante o processo. Conseqüentemente, os estudos do fotorredução do co2 sofrem das baixas eficiências da conversão e das taxas da reação presentemente. A maioria de taxas de rendimento relatadas ch4 são somente em diversos μmol · gcata-1· níveis de h-1 em um Catalyst3detio2 ,4. O projeto e a fabricação de sistemas fotocatalíticos com alta eficiência de conversão e taxa de reação para redução de CO2 permanecem um desafio.

Uma área popular de pesquisa em co2 catalisadores fotorredução é ampliar a faixa de luz disponível para o espectro visível e aumentar a eficiência de utilização destes comprimentos de onda5,6. Em vez disso, neste manuscrito, tentamos aumentar a taxa de reação, aumentando a intensidade da luz. Como a força motriz de uma reação fotocatalítica é a luz solar, a idéia básica é usar a tecnologia de concentração para elevar a intensidade da luz solar incidente e, portanto, aumentar a taxa de reação. Isso é semelhante a um processo termocatalítico, onde a taxa de reação pode ser aumentada aumentando a temperatura. Naturalmente, o efeito da temperatura não pode ser aumentado infinita, e do mesmo modo com a intensidade de luz; um dos principais objetivos desta pesquisa é encontrar uma relação de intensidade ou concentração de luz adequada.

Este não é o primeiro experimento que usa a tecnologia de concentração. Na verdade, tem sido amplamente utilizado na concentração de energia solar e tratamento de águas residuais7,8. Os biomateriais, como a serragem de madeira de faia,podem ser pirolisados em um reator solar9,10. Alguns relatos anteriores mencionaram o método de co2 fotorredução11,12,13. Uma amostra exibiu um incremento de 50% no rendimento do produto quando a intensidade da luz foi duplicada14. Nosso grupo encontrou que concentrar a luz pode levantar a taxa do rendimento do CH4 com um aumento de até 12 vezes na intensidade. Além disso, o pré-tratamento do catalisador antes da reação concentrando a luz pode aumentar ainda mais a taxa de rendimento de CH4 15. Aqui, demonstramos o sistema experimental e o método em detalhe.

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Protocol

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Atenção: por favor, consulte todas as fichas de dados de segurança (MSDS) relevantes antes da operação. Vários produtos químicos são inflamáveis e altamente corrosivos. Concentrar a luz pode causar a intensidade de luz prejudicial e aumenta a temperatura. Por favor, use todos os dispositivos de segurança adequados, como equipamento de proteção individual (óculos de segurança, luvas, jalecos, calças, etc.).

1. preparação do catalisador

  1. Preparação do TiO2 por anodização
    Nota: anodização usa folhas de metal e uma folha de pt como dois eletrodos de contador. Os dois eletrodos são colocados no eletrólito. Usando a eletricidade, as folhas de metal no local do ânodo são oxidadas.
    1. Dissolva 0,3 g de NH4F e 2 ml de H2O em 100 ml de glicol em um copo de 200 ml com um agitador para formar o eletrólito. Põr o copo com o eletrólito em um banho de água do ° c 45.
    2. Aparar a folha de ti (50 x 250 mm tamanho) com tesoura para 25 x 25 mm.
    3. Lustre a superfície da folha do ti com uma lixa 7.000-Mesh para remover as impurezas de superfície.
    4. Mergulhe a folha de ti em um balão volumétrico contendo 15 mL de etanol, em seguida, um balão com 15 mL de acetona, em seguida, tratá-lo por 15 min com um limpador ultra-sônico. Retire a folha de ti, enxague 3-5x com água desionizada e coloque-a num balão volumétrico contendo 20 mL de etanol.
    5. Dissolver 10 mL de H2o, 5 ml de HNO3, 3 ml de h2o2, 1 ml de 18% WT (NH2)2co, e 1 ml de 18% WT NH4F em um copo de 100 ml para formar uma solução de polimento.
    6. Retire a folha de ti do balão de etanol, enxague-a 3x com água deionizada e coloque-a na solução de polimento por 2-3 min. Retire a folha de ti e lave-a com água deionizada por 3x.
    7. Use um grampo de jacaré do ânodo para prender a folha de ti pré-tratada e um outro grampo para prender uma folha do pinta (25 x 25 milímetros). Coloque as duas folhas cara a cara no eletrólito a uma distância de 2 cm uns dos outros. Gire sobre a fonte de alimentação atual estabilizada da corrente contínua (C.C.), ajuste a tensão a 50 V, e eletrize por 30 minutos.
    8. Após a anodização terminar, feche o poder e tirar o TiO2 folha
    9. Mergulhe a folha de ti em um balão volumétrico contendo 15 mL de etanol, em seguida, um balão com 15 mL de acetona, em seguida, tratá-lo por 15 min com um limpador ultra-sônico. Retire a folha de ti, enxague 3-5x com água deionizada e coloque-a num cadinho de 50 mL.
    10. Coloque o cadinho em um forno a 60 ° c por 12 h para deixar a folha seca.
    11. Calcine a folha do TiO2 em uma fornalha da mufla o ° c 400 para 2 h com uma taxa de aquecimento de 2 ° c/min.

2. testes catalíticos eanálise de P roduto

  1. Testes catalíticos concentração de luz
    1. Limpe o reator em forma de cilindro inoxidável (diâmetro interno = 5,5 cm, volume = 100 mL) com água deionizada, em seguida, seque-o em um forno a 60 ° c por 10 min, para garantir nenhuma interferência de outras fontes de carbono.
    2. Tire o reator do forno, adicione 2 mL H2o, um agitador, e um suporte do catalizador (uma prateleira pequena que prenda o catalizador no reator), e põr um vidro de quartzo com os poros (diâmetro = 2 cm) na parte inferior do suporte e o Catalyst do tio2 (diâmetro = 1 cm) sobre o centro do vidro de quartzo. Coloque um termopar através de uma abertura na parede do reator na superfície do catalisador. Adicionar uma lente Fresnel na parte superior do suporte e selar o reator com uma janela de vidro de quartzo.
    3. Coloque o reator no aparelho eletromagnético. Verificar a estanqueidade do ar com azoto (N2).
    4. Alimentar o CO2 (99,99%) no reator através de um controlador de fluxo maciço (MFC) e lave o reator pelo menos 3x para mudar o gás no reator a CO2.
    5. Coloque a lâmpada xe 2 cm diretamente acima do reator, abra a potência da lâmpada xe e ajuste sua corrente para 15 a, e ligue o interruptor de agitador magnético para iniciar a reação.
    6. Registre a mudança de temperatura na superfície do catalisador e no gás.
  2. Análise de produto
    1. Analisar o produto a cada 1 h usando uma cromatografia gasosa (GC), que é equipado com um detector de chama ionizado (FID) e uma coluna capilar (ver tabela de materiais) para a separação de c1-c6 hidrocarbonetos.
    2. Calcule o número de produtos pelo método de linha padrão externo. Antes de quantificar o produto, construa uma curva padrão de metano (CH4).
  3. Testes catalíticos a concentração de luz com pré-tratamento
    Nota: este procedimento é similar a 2,1, com as diferenças anotadas.
    1. Reator de lavagem como na etapa 2.1.1.
    2. Monte O reator como na etapa 2.1.2, exceto sem adicionar H2O.
    3. Verifique a tensão do ar como no passo 2.1.3.
    4. Alimente o gás do pré-tratamento (tal como o ar, o N2 e o H2o) no reator através de um MFC e troque o gás três vezes na sucessão para fazer ao reator o gás puro do pré-tratamento.
    5. Ajuste a lâmpada como no passo 2.1.5.
    6. Mantenha o catalisador luz (10 proporção de concentração) de iluminação para 1 h na atmosfera do ar, em seguida, desligue a lâmpada xe e agitador magnético para terminar o pré-tratamento.
    7. Alimentar o CO2 (99,99%) no reator como na etapa 2.1.4.
    8. Injete 2 mL H2o no reator a partir da abertura da parede. Abra a lâmpada xe e o poder do agitador magnético para iniciar a reação como etapa 2.1.5.
    9. Registre a alteração de temperatura como na etapa 2.1.6.

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Representative Results

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O sistema original do reator photocatalítico contem principalmente dois componentes, uma lâmpada de Xe e um reator inoxidável do cilindro. Para o sistema de reator de luz concentrada, adicionamos uma lente Fresnel e um suporte de catalisador, como mostrado na Figura 1. A lente de Fresnel é usada para concentrar a luz em uma área menor. Como a luz foi concentrada, o catalisador deve ser colocado em uma área iluminada; Conseqüentemente, o catalizador é feito na forma do disco, e um suporte é usado para prender o catalizador nesta área.

Quando o método de anodização foi utilizado, uma camada de matrizes de nanotubos de TiO2 se formariam na folha. A Figura 2 exibe alguns resultados de caracterização. Entretanto, o mais importante, matrizes do TiO2 ou outros semicondutores podiam furar na folha para o corte fácil em discos de vários tamanhos sem quebrar.

Nós testamos o desempenho catalítico de como-preparado TiO2 e outros semicondutores a luz de concentração. A Figura 3 exibe os resultados típicos do rendimento de ch4 versus o tempo de irradiação diferentes proporções de concentração (a proporção da área de fonte luminosa para a área do catalisador). As taxas de reação de metano em diferentes catalisadores foram significativamente melhoradas as condições de concentração. No caso do TiO2, a taxa máxima de produção de metano atingiu 34,56 μmol · gcata-1· h-1. No caso do FE2o3, a taxa máxima de produção de metano atingiu 19,15 μmol · gcata-1· h-1, que é aproximadamente 18 vezes a taxa a luz da natureza15. Se o catalisador é pré-tratado com gás adequado (ar), a taxa de produção de metano pode ser aumentada. O efeito é considerado a partir da mudança nas propriedades da superfície, mas é necessária mais investigação para provar isso.

Figure 1
Figura 1: concentrando o sistema de reator de luz para a redução fotocatalítica de CO2. (A) fotografia da set-up. (B) esquema da set-up. 1 = lâmpada Xe, 2 = janela de vidro tquartz, 3 = lente Fresnel, 4 = suporte, 5 = fotocatalisador, 6 = reator de aço inoxidável, 7 = H2O e 8 = agitador magnético. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: difração de raios X (XRD, esquerda) e microscópio eletrônico de varredura (MEV, direita) do tio2 por anodização. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: resultados representativos do rendimento de ch4 em diferentes proporções de concentração (CR). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

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Concentrar a luz reduz a área de incidente claro e exige o uso de um catalizador em forma de disco ou de um reator so-called da fixo-cama para prender o catalizador. Desde que a fonte luminosa é geralmente uma lâmpada redondo-dada forma, a forma do catalizador deve igualmente ser redonda. Para obter um disco redondo, é possível pressionar o pó em um disco por comprimidos ou para mudar a folha metálica em um óxido por anodização. O método da anodização usa a eletricidade para oxidar o metal a um semicondutor do óxido. Como o precursor do metal já é uma folha ou folha, ele pode ser cortado mais facilmente após a oxidação sem quebrá-lo.

Outro fator que precisa ser considerado é as medições de intensidade. Nós não temos dado a intensidade da luz após a concentração, porque o uso de um detector comercial de intensidade de luz tem algumas limitações. Tal detector muitas vezes tem uma grande área de superfície (ID = 1 cm) e uma parede para protegê-lo, que também irá bloquear muito da luz quando ele é usado para medir a luz de concentração. Também, quando a relação de concentração é grande, o tamanho pequeno da lâmpada de Xe (que tem frequentemente uma identificação de 5 cm) concentrará a luz a uma área muito pequena, que possa ser menor do que a área do detector. Portanto, para investigar ainda mais a técnica de concentração de luz, lâmpadas de grande porte terá que ser usado e o detector de intensidade terá de ser melhorado.

Após a implementação do protocolo apresentado aqui, a taxa de rendimento CH4 foi claramente reforçada utilizando uma relação de concentração adequada, o que significa que a luz concentrada pode, em certa medida, reduzir a quantidade de catalisador. Naturalmente, uma intensidade de luz mais elevada não é sempre benéfica para um desempenho catalítico; Existe uma relação de concentração óptima. Muitos fatores podem contribuir para o aparecimento da relação de concentração óptima. Sabe-se que para as reações fotocatalíticas, a ordem de reação da intensidade da luz muitas vezes diminui enquanto a intensidade da luz aumenta, até atingir zero. A alta intensidade também provoca a rápida geração e recombinação de e--h+ pairs.

Para resumir, temos demonstrado um método de concentração de luz para melhorar o comportamento de fooreduction CO2 . Considerando o significado de reduzir a quantidade de catalisador e aumentar a taxa de reação, o método pode ser útil para a decomposição fotocatalítica de H2o, a redução de co2, e degradação de compostos orgânicos voláteis (COV) luz solar real. Presentemente, há poucos estudos na fotocatálise a luz solar real, e o rendimento é muito baixo. A concentração pode reduzir vastamente o volume do reator e conservar custos; Além, pode aumentar a intensidade e a temperatura de luz e, assim, melhorar extremamente a eficiência photocatalítica, mas pode ser necessário adicionar um sistema de seguimento solar automático na consideração do movimento da luz solar.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Este trabalho é apoiado pela Fundação de ciências naturais da China (n º 21506194, 21676255).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ti foil, 99.99% Hebei Metal Technology Co., Ltd.
Pt foil, 99.99% Tianjin Aida Henghao Technology Co., Ltd.
Ammonium fluoride, 98% Aladdin A111758 Humidity sensitive
Glycol, >99.9% Aladdin E103323
Anhydrous ethanol,>99.9% Aladdin E111977 Flammable
Acetone, >99.5% Hangzhou Shuanglin Chemical Co., Ltd. 200-662-2 Irritating smell
Nitric acid, 65.0%-68.0% Hangzhou Shuanglin Chemical Co., Ltd. 231-714-2 Humidity sensitive
Hydrogen peroxide, 30 wt. % in H2O Aladdin H112515 Strong oxidative
Urea, 99% Aladdin U111897
De-ionized water, 99.00% Laboratory made
Xe lamp, CELHXF300/CELHXUV300 Beijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.
Stainless cylinder reactor, CEL-GPPC Beijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.
Fresnel lens, MYlens Meiying Technology Co., Ltd.
7000 mesh sandpaper Zibo Taichuan Abrasives Co., Ltd.
Ultrasonic cleaner, SK2210HP Shanghai Kedao Ultrasonic Instrument Co., Ltd.
Thermostatical water bath, DF-101S Boncie Instrument Technology Co., Ltd.
Alligator clip Guangzhou Rongyu Co., Ltd.
DC constant voltage source, DY-150V 2A Shanghai Anding Electric Co., Ltd.
Muffle furnace, KSL-1200X Hefei Kejing Materials Technolgy Co., Ltd.
Quartz glass Lianyungang Weida Quartz Products Co., Ltd.
Thermocouples, WRNK-191K Feiyang Electric Accessories Co., Ltd.
Electronmagnetic stirrer, 85-2 Shanghai Zhiwei Electric Appliance Co., Ltd.
Vacuum pump,SHB-IIIA Henan Province Taikang science and education equipment factory
Gas Chromatograph, GC2014 SHIMAPZU
HT-PLOT Q capillary column Hychrom
Optical power meter,CEL-NP2000 Beijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.
Electronic scale, JJ124BC Shanghai Jingtian Electronic Instrument Co., Ltd.

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References

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CO<sub>2</sub> photoreduction para CH<sub>4</sub> desempenho a concentração de luz solar
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Fang, X., Gao, Z., Lu, H., Zhu, Q., Zhang, Z. CO2 Photoreduction to CH4 Performance Under Concentrating Solar Light. J. Vis. Exp. (148), e58661, doi:10.3791/58661 (2019).More

Fang, X., Gao, Z., Lu, H., Zhu, Q., Zhang, Z. CO2 Photoreduction to CH4 Performance Under Concentrating Solar Light. J. Vis. Exp. (148), e58661, doi:10.3791/58661 (2019).

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