CO2 photoreduction til ch4 ydeevne under koncentrering Solar Light
Summary
Vi præsenterer en protokol for at forbedre ydeevnen af CO2 photoreduction til ch4 ved at øge hændelsen lysintensitet via koncentrere solenergi teknologi.
Abstract
Vi demonstrerer en metode til forbedring af CO2 -fotoreduktion. Som drivkraften bag en foto katalytisk reaktion er fra Solar Light, den grundlæggende idé er at bruge koncentrations teknologi til at hæve hændelsen sol lysintensitet. Koncentrering af en stor-område lys på et lille område kan ikke kun øge lysintensitet, men også reducere katalysatoren mængde, samt reaktoren volumen, og øge overfladetemperaturen. Koncentrationen af lys kan realiseres af forskellige enheder. I dette manuskript, er det realiseret af en Fresnel linse. Lyset trænger ind i objektivet og er koncentreret på en skiveformet katalysator. Resultaterne viser, at både reaktionshastigheden og det samlede udbytte øges effektivt. Metoden kan anvendes til de fleste CO2 photoreduction katalysatorer, samt til lignende reaktioner med en lav reaktionshastighed ved naturligt lys.
Introduction
Udnyttelsen af fossile brændstoffer ledsages af store mængder CO2 -emission, hvilket i høj grad bidrager til den globale opvarmning. CO2 -opsamling,-lagring og-konvertering er afgørende for at reducere Co2 -indholdet i atmosfæren1. Fotoreduktion af CO2 til kulbrinter kan reducere Co2, konvertere Co2 til brændstoffer, og spare solenergi. Men CO2 er et ekstremt stabilt molekyle. Dens C = O-obligation besidder en højere dissociations energi (ca. 750 kJ/mol)2. Det betyder, at CO2 er meget svært at blive aktiveret og omdannet, og kun korte bølgelængde lys med høj energi kan fungere under processen. Derfor er CO2 -fotoreduktion undersøgelser lider af lav konverteringseffektivitet og reaktions rater på nuværende tidspunkt. De fleste rapporterede ch4 -rentesatser er kun på flere μmol · gcata-1· h-1 niveauer på en TiO2 katalysator3,4. Design og fabrikation af fotokatalytiske systemer med høj konverteringseffektivitet og reaktionshastighed for CO2 -reduktion er fortsat en udfordring.
Et populært område af forskning i co2 photoreduction katalysatorer er at udvide det tilgængelige lysbånd til det synlige spektrum og forbedre udnyttelsen effektivitet af disse bølgelængder5,6. I stedet forsøger vi i dette manuskript at øge reaktionshastigheden ved at øge lysintensiteten. Som drivkraften bag en foto katalytisk reaktion er Solar Light, den grundlæggende idé er at bruge koncentrations teknologi til at hæve hændelsen sol lysintensitet og, derfor, øge reaktionshastigheden. Dette svarer til en termo katalytisk proces, hvor reaktionshastigheden kan øges ved at øge temperaturen. Selvfølgelig kan temperatur effekten ikke øges uendeligt, og ligeledes med lysintensiteten; et vigtigt mål for denne forskning er at finde en passende lysintensitet eller koncentrationsgrad.
Dette er ikke det første eksperiment, der bruger koncentrering teknologi. Faktisk, det har været meget anvendt til at koncentrere solenergi og spildevand behandling7,8. Biomaterialer som bøgetræ savsmuld kan pyrolyseres i en solreaktor9,10. Nogle tidligere rapporter har nævnt metoden for Co2 photoreduction11,12,13. En prøve udviste en stigning på 50% i produktudbyttet, når lysintensiteten blev fordoblet14. Vores gruppe har konstateret, at koncentrering lys kan hæve CH4 udbyttesats med en op til 12-fold stigning i intensitet. Desuden kan forbehandling af katalysator før reaktion ved at koncentrere lys yderligere øge CH4 udbyttesats15. Her viser vi det eksperimentelle system og metode i detaljer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Koncentrering af lys reducerer det lette hændelsesområde og kræver brug af en skiveformet katalysator eller en såkaldt fast-Bed-reaktor til at holde katalysatoren. Da lyskilden normalt er en rund formet lampe, bør katalysatorens form også være rund. For at få en rund skive, er det muligt at trykke pulveret i en disk ved at tablettering eller at ændre metalfolie til en oxid ved Anodisering. Anodiserings metoden bruger elektricitet til at oxid metallet til en oxid halvleder. Som metal forløber er allerede et ark …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde støttes af Kinas naturvidenskabelige fundament (nr. 21506194, 21676255).
Materials
| 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., Jin, F., He, L. -. N., Hu, Y. H. 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. , 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).
