CO 2 太陽光集中下でのCH4性能へのCO2光減少
Summary
太陽エネルギー技術を集中させることで入射光強度を高めることで、CO2光低減の性能をCH4に向上させるプロトコルを提示する。
Abstract
CO2光減少の強化方法を実証する.光触媒反応の原動力は太陽光からであるため、基本的な考え方は、光光の強度を上げるために集中技術を使用することです。大面積の光を小さな領域に集中させることは、光の強度を高めるだけでなく、触媒量を減らすだけでなく、反応器の体積を減らし、表面温度を上げます。光の濃度は、異なるデバイスによって実現することができます。この原稿では、フレネルレンズによって実現される。光はレンズを貫通し、円盤状の触媒に集中します。結果は、反応速度と総収量の両方が効率的に増加することを示す。この方法は、ほとんどのCO2光減少触媒に適用できるだけでなく、自然光での反応速度が低い同様の反応にも適用できます。
Introduction
化石燃料の利用には大量のCO2排出量が伴い、地球温暖化に大きく貢献しています。CO2のキャプチャ、貯蔵、および変換は、大気中の CO2含有量を削減するために不可欠です1.CO2から炭化水素への光還元により、CO2を削減し、CO2を燃料に変換し、太陽エネルギーを節約することができます。しかし、CO2は非常に安定な分子です。そのC=O結合は、より高い解離エネルギー(約750 kJ/mol)2を有する。つまり、CO2は活性化や変換が非常に難しく、プロセス中に高エネルギーの短波長ライトのみが機能します。そのため、CO2光減少研究は、現在の低変換効率と反応速度に苦しんでいます。ほとんどの報告されたCH4収率は、TiO2触媒3、4上の数μmol·gカタ-1·h-1レベルでのみです。CO2削減のための変換効率と反応速度が高い光触媒システムの設計と製造は依然として課題です。
CO2光減少触媒の研究の一般的な領域は、可視スペクトルに利用可能な光バンドを広げ、これらの波長5、6の利用効率を高めることです。代わりに、この原稿では、光強度を高めることによって反応速度を高めようとします。光触媒反応の駆動力は太陽光であるため、光光の強度を上げるために濃度技術を使用し、したがって、反応速度を増加させるという考え方です。これは、温度を上げることによって反応速度を増加させることができる熱触媒プロセスに似ています。もちろん、温度効果は無限に増加することはできませんし、同様に光の強度で。本研究の主な目的は、適切な光強度または濃度比を見つけることだ。
集中技術を用いる実験は今回が初めてではない。実際には、太陽光発電と排水処理7、8を集中させるのに広く使用されている。ブナの木のおがくずなどの生体材料は、太陽原子炉9、10で熱分解することができる。いくつかの以前の報告は、CO2光減少11、12、13の方法に言及している。1つのサンプルは、光強度が14倍になったときに製品収率で50%の増分を示した。我々のグループは、光を集中させることで、強度が最大12倍増加してCH4収率を上げることができることを発見しました。また、光を集中させることにより反応前の触媒の前処理は、CH4収率15をさらに高めることができる。 ここでは、実験システムと方法を詳細に示す。
Protocol
Representative Results
Discussion
光を集中させることで入射領域が小さくなり、円盤状の触媒またはいわゆる固定床反応器を使用して触媒を保持する必要があります。光源は通常丸型ランプであるため、触媒の形状も丸くする必要があります。丸いディスクを得るために、粉末を打錠してディスクに押し込んだり、陽極酸化によって金属箔を酸化物に変えたりすることができる。陽極酸化法は、電気を使用して金属を酸化半?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、中国自然科学財団(No. 21506194, 21676255)によって支援されています。
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).
