Summary
Vi presenterer en protokoll for å forbedre ytelsen til CO2 PHOTOREDUCTION til ch4 ved heightening hendelsen lys intensitet via konsentrere solenergi teknologi.
Abstract
Vi viser en metode for styrking av CO2 photoreduction. Som drivkraften i en fotokatalytiske reaksjon er fra sollys, er den grunnleggende ideen å bruke konsentrasjon teknologi for å øke hendelsen solenergi lys intensitet. Konsentrere et stort område lys på et lite område kan ikke bare øke lysstyrken, men også redusere katalysatoren, samt reaktoren volum, og øke overflatetemperaturen. Konsentrasjonen av lys kan realiseres ved forskjellige enheter. I dette manuskriptet, er det realisert ved en Fresnel linse. Lyset trenger inn i objektivet og er konsentrert på en plate-formet katalysator. Resultatene viser at både reaksjons raten og den totale avkastningen øker effektivt. Metoden kan brukes på de fleste CO2 photoreduction katalysatorer, så vel som lignende reaksjoner med en lav reaksjonshastighet på naturlig lys.
Introduction
Utnyttelse av fossilt brensel er ledsaget av store mengder CO2 -utslipp, bidrar sterkt til global oppvarming. CO2 Capture, lagring og konvertering er avgjørende for å redusere co2 -innhold i atmosfæren1. Photoreduction av CO2 til hydrokarboner kan redusere co2, convert co2 til brensel, og spare solenergi. Men CO2 er et ekstremt stabilt molekyl. Dens C = O obligasjon besitter en høyere dissosiasjon energi (ca 750 kJ/mol)2. Dette betyr at CO2 er svært vanskelig å bli aktivert og transformert, og bare kort bølgelengde lys med høy energi kan være funksjonell i løpet av prosessen. Derfor CO2 photoreduction studier lider av lav konvertering effektivitet og reaksjons rater i dag. Mest rapporterte ch4 yield priser er bare på flere mikromol · gcata-1· h-1- nivåer på en TiO2 katalysator3,4. Design og fabrikasjon av fotokatalytiske systemer med høy konvertering effektivitet og reaksjonshastighet for CO2 reduksjon fortsatt en utfordring.
Et populært forskningsområde i co2 photoreduction katalysatorer er å utvide tilgjengelig lys bånd til det synlige spekteret og øke utnyttelsen effektiviteten av disse bølgelengder5,6. I stedet, i dette manuskriptet, prøver vi å øke reaksjonshastigheten ved å styrke lysstyrken. Som drivkraften til en fotokatalytiske reaksjon er sollys, er den grunnleggende ideen å bruke konsentrasjon teknologi for å øke hendelsen solenergi lys intensitet og derfor øke reaksjonshastigheten. Dette ligner på en thermocatalytic prosess, der reaksjonshastigheten kan økes ved å øke temperaturen. Selvfølgelig kan temperaturen effekten ikke ikke økes uendelig, og likeså med lys intensitet; et hovedmål med denne forskningen er å finne en passende lys intensitet eller konsentrasjon ratio.
Dette er ikke det første eksperimentet som bruker konsentrere teknologi. Faktisk har det vært mye brukt i konsentrere solenergi og avløpsvannbehandling7,8. Biomaterials som bøk tre sagflis kan være pyrolysert i en Solar reaktoren9,10. Noen tidligere rapporter har nevnt metoden for co2 photoreduction11,12,13. En prøve viste en 50% økning i produktet yield når lys intensiteten ble doblet14. Vår gruppe har funnet at konsentrere lyset kan øke CH4 yield rate med en opp til 12-fold økning i intensitet. I tillegg kan forbehandling av katalysator før reaksjonen ved å konsentrere lyset ytterligere øke CH4 yield rate15. Her viser vi det eksperimentelle systemet og metoden i detalj.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Forsiktig: ta kontakt med alle relevante sikkerhets data blader (HMS) før bruk. Flere kjemikalier er brannfarlige og svært etsende. Konsentrasjon lys kan forårsake skadelig lys intensitet og temperaturen øker. Bruk alle egnede sikkerhetsanordninger som personlig verneutstyr (vernebriller, hansker, laboratorie frakker, bukser osv.).
1. katalysator forberedelse
-
Utarbeidelse av TiO2 av anodiseringspro
Merk: Anodiseringspro bruker metall folier og en PT-folie som to mot elektroder. De to elektrodene er satt i elektrolytt. Ved hjelp av elektrisitet, metall folier på anode stedet er oksidert.- Løs opp 0,3 g av NH4F og 2 ml H2O til 100 ml av glykol i en 200-ml beger med en stirrer for å danne elektrolytt. Sett begeret med elektrolytt inn i et vannbad på 45 ° c.
- Trim ti folie (50 x 250 mm størrelse) med saks til 25 x 25 mm.
- Polsk ti folie overflaten med en 7 000-mesh sandpapir for å fjerne overflaten urenheter.
- Senk ti folien i et volum kolbe som inneholder 15 mL etanol, deretter en kolbe med 15 mL aceton, deretter behandle den i 15 min med en ultrasonisk renere. Ta ut ti folie, skyll den 3-5x med deionisert vann, og plasser den i et volum kolbe som inneholder 20 mL etanol.
- Løs opp 10 mL H2o, 5 ml HNO3, 3 ml h2o2, 1 ml 18% WT (NH2)2co, og 1 ml 18% WT NH4F i et 100-ml beger for å danne en polerings løsning.
- Ta ut ti folie fra etanol kolbe, skyll den 3x med deionisert vann, og legg den i polering løsning for 2-3 min. Fjern ti folie og vask den med deionisert vann for 3x.
- Bruk en anode Alligator klips for å holde forbehandlet ti folie og et annet klipp for å holde en PT folie (25 x 25 mm). Plasser de to folier ansikt til ansikt i elektrolytt i en avstand på 2 cm fra hverandre. Slå på den direkte aktuelle (DC) stabilisert strømkilden, tune spenningen til 50 V, og electrolyze i 30 min.
- Når anodiseringspro er ferdig, lukker du strømmen og tar ut TiO2 -folien
- Senk ti folien i et volum kolbe som inneholder 15 mL etanol, deretter en kolbe med 15 mL aceton, deretter behandle den i 15 min med en ultrasonisk renere. Ta ut ti folie, skyll den 3-5x med deionisert vann, og legg den i en 50-mL smeltedigel.
- Sett smeltedigel i en ovn ved 60 ° c i 12 timer for å la folien tørke.
- Calcinar TiO2 folie i en dempe ovn under 400 ° c for 2 t med en oppvarmings hastighet på 2 ° c/min.
2. katalysatorer og PRoduct analyse
-
Katalysator under konsentrert lys
- Rengjør den rustfrie sylinder-formede reaktoren (indre diameter = 5,5 cm, volum = 100 mL) med deionisert vann og tørk det i en ovn ved 60 ° c i 10 min, for å sikre ingen interferens fra andre karbon kilder.
- Ta ut reaktoren fra ovnen, tilsett 2 mL H2O, a stirrer, og en katalysator holderen (en liten hylle som holder katalysatoren i reaktoren), og sette en kvarts glass med porer (diameter = 2 cm) på undersiden av holderen og TiO2 Catalyst (diameter = 1 cm) på midten av kvarts glass. Sett en Termo gjennom en åpning på reaktoren veggen på katalysatoren overflaten. Legg til en Fresnel linse på toppen av holderen og forsegle reaktoren med et kvarts glass vindu.
- Sett reaktoren på det elektromagnetiske apparatet. Kontroller lufttettheten med nitrogen (N2).
- Feed CO2 (99,99%) reaktoren gjennom en masse strømnings kontroller (MFC) og skyll reaktoren minst 3x for å endre gassen i reaktoren til CO2.
- Plasser XE-lampen 2 cm rett over reaktoren, åpne XE-lampen og Juster strømmen til 15 A, og slå på bryteren for magnetisk stirrer for å starte reaksjonen.
- Record temperaturen endringen på katalysatoren overflaten og i gassen.
-
Produkt analyse
- Analyser produktet hver 1 time ved hjelp av en gass-kromatografi (GC), som er utstyrt med en flamme-ionisert detektor (FID) og en kapillær søyle (se tabell over materialer) for separasjon av C1-C6 hydrokarboner.
- Beregn antall produkter etter den eksterne standard linje metoden. Før kvantifisere produktet, bygge en standard kurve av metan (CH4).
-
Katalysator under konsentrert lys med forbehandling
Merk: denne prosedyren er lik 2,1, med forskjeller notert.- Vask reaktoren som i trinn 2.1.1.
- Monter reaktoren som i trinn 2.1.2, unntatt uten å legge til H2O.
- Kontroller lufttettheten som i trinn 2.1.3.
- Fôrer den forbehandling gassen (for eksempel luft, N2 og H2O) inn i reaktoren gjennom en MFC og Bytt gassen tre ganger etter hverandre for å gjøre reaktoren ren forbehandling gass.
- Juster lampen som i trinn 2.1.5.
- Hold katalysatoren under lys (10 konsentrere ratio) belysning for 1 t i luften atmosfære, og slå av XE lampen og magnetiske stirrer å fullføre forbehandling.
- Feed CO2 (99,99%) i reaktoren som i trinn 2.1.4.
- Injiser 2 mL H2O inn i reaktoren fra åpningen av veggen. Åpen det XE lampen og magnetisk stirrer makt for å starte reaksjonen idet steg 2.1.5.
- Ta opp temperaturendringen som i trinn 2.1.6.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Det opprinnelige fotokatalytiske reaktor systemet inneholder hovedsakelig to komponenter, en XE lampe og en rustfri sylinder reaktor. For den konsentrerte lys reaktoren systemet, la vi til en Fresnel linse og en katalysator holderen, som vist i figur 1. Fresnel linsen brukes til å konsentrere lyset i et mindre område. Etter hvert som lyset er konsentrert, må katalysatoren plasseres i et opplyst område; Derfor er katalysatoren laget i plateform, og en holder brukes til å holde katalysatoren i dette området.
Når anodiseringspro metoden ble brukt, et lag med TiO2 nanorør arrays ville danne på folien. Figur 2 viser noen karakterisering resultater. Men enda viktigere, TiO2 arrays eller andre halvledere kunne stikke på folien for enkel skjæring i plater av ulike størrelser uten å bryte.
Vi har testet katalysator for som-forberedt TiO2 og andre halvledere under konsentrere lys. Figur 3 viser typiske resultater av ch4 yield versus bestråling tid under ulike konsentrasjon prosenter (forholdet mellom området lys kilde til området av katalysatoren). Reaksjonen utbredelsen av metan på ulike katalysatorer ble betydelig forbedret under konsentrere forholdene. I tilfelle av TiO2, maksimal metan produksjonshastighet nådd 34,56 mikromol · gcata-1· h-1. I tilfelle av Fe2O3, maksimal metan produksjonshastighet nådd 19,15 mikromol · gcata-1· h-1, som er ca 18 ganger satsen under natur lys15. Hvis katalysatoren er forbehandlet med egnet gass (luft), kan produksjonshastigheten metan økes ytterligere. Effekten anses å være fra endringen i overflateegenskaper, men mer forskning er nødvendig for å bevise dette.
Figur 1: konsentrasjon lys reaktor system for fotokatalytiske reduksjon av CO2. (A) bilde av oppsettet. (B) skjematisk fremstilling av oppsettet. 1 = XE lampe, 2 = tquartz glass vindu, 3 = Fresnel linse, 4 = holder, 5 = fotokatalysator, 6 = rustfritt stål reaktor, 7 = H2O, og 8 = magnetiske rører. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: røntgen Diffraksjon (XRD, venstre) og skanne elektronmikroskop (SEM, høyre) i TiO2 av anodiseringspro. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: representative resultater for ch4 yield ved forskjellige KONSENTRASJONS forhold (CR). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Konsentrere lyset reduserer lyset hendelsen området og krever bruk av en plate-formet katalysator eller en såkalt fast-Bed reaktor å holde katalysatoren. Siden lyskilden er vanligvis en rund-formet lampe, bør formen på katalysatoren også være rund. For å få en rund plate, er det mulig å trykke pulveret inn i en disk ved tableting eller for å endre metall folien til et oksid av anodiseringspro. Den anodiseringspro metoden bruker elektrisitet til å oksidere metallet til en oksid halvleder. Som metall forløperen er allerede et ark eller folie, kan det beskjæres lettere etter oksidasjon uten å bryte den.
En annen faktor som må vurderes er intensiteten målinger. Vi har ikke gitt lys intensiteten etter konsentrasjon fordi bruk av en kommersiell detektor av lys intensitet har noen begrensninger. En slik detektor har ofte et stort overflateareal (ID = 1 cm) og en vegg for å beskytte den, noe som også vil blokkere mye av lyset når det brukes til å måle fokus lyset. Også når konsentrere forholdet er stor, den lille størrelsen på XE lampen (som ofte har en ID på 5 cm) vil konsentrere lyset til et svært lite område, som kan være mindre enn detektoren området. Derfor, for å ytterligere undersøke konsentrere lyset teknikken, store størrelser lamper vil måtte brukes og intensiteten detektoren må forbedres.
Etter gjennomføringen av protokollen som presenteres her, CH4 yield rate var klart forbedret ved hjelp av en passende konsentrasjon ratio, noe som betyr at konsentrert lys kan til en viss grad redusere mengden av katalysator. Selvfølgelig er en høyere lys intensitet ikke alltid gunstig for en katalysator; Det er et optimalt konsentrasjons forhold. Mange faktorer kan bidra til utseendet på det optimale konsentrasjons forholdet. Det er kjent at for fotokatalytiske reaksjoner, vil reaksjons rekkefølgen av lys intensiteten ofte reduseres mens lys intensiteten øker, til den når null. Høy intensitet forårsaker også rask generering og rekombinasjon av e--h+ parene.
For å oppsummere, har vi demonstrert en konsentrere lys metode for å forbedre CO2 photoreduction oppførsel. Tatt i betraktning betydningen av å redusere katalysatoren og øke reaksjonshastigheten, kan metoden være nyttig for fotokatalytiske nedbryting av H2O, REDUKSJONEN av co2, og degradering av flyktige organiske forbindelser (VOC) under ekte sollys. I dag er det få studier på photocatalysis under ekte sollys, og avkastningen er svært lav. Konsentrasjon kan vesentlig redusere volumet av reaktoren og spare kostnader; i tillegg kan det øke lys intensitet og temperatur, og dermed betydelig forbedre fotokatalytiske effektivitet, men det kan være nødvendig å legge til en automatisk solenergi sporing system i betraktning av bevegelsen av sollys.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet er støttet av Natural Science Foundation i Kina (nr. 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. |
References
- 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).
- Fang, Y., Wang, X. Photocatalytic CO2 conversion by polymeric carbon nitrides. Chemical Communications. 54 (45), 5674-5687 (2018).
- 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).
- 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).
- White, J. L., et al. Light-Driven Heterogeneous Reduction of Carbon Dioxide: Photocatalysts and Photoelectrodes. Chemical Reviews. 115 (23), 12888-12935 (2015).
- 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).
- Weinstein, L. A., et al. Concentrating Solar Power. Chemical Reviews. 115 (23), 12797-12838 (2015).
- 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).
- Zeng, K., et al. Combined effects of initial water content and heating parameters on solar pyrolysis of beech wood. Energy. 125, 552-561 (2017).
- Zeng, K., et al. Characterization of solar fuels obtained from beech wood solar pyrolysis. Fuel. 188, 285-293 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Roy, S. C., et al. Toward solar fuels: photocatalytic conversion of carbon dioxide to hydrocarbons. ACS Nano. 4 (3), 1259-1278 (2010).
- 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).
