CO2 Photoreduction to CH4 Performance Under Concentrating Solar Light
Summary
Presentamos un protocolo para mejorar el rendimiento de la fotoreducción de CO2 a CH4 mediante el aumento de la intensidad de la luz incidente a través de la concentración de la tecnología de energía solar.
Abstract
Demostramos un método para la mejora de la fotoreducción de CO 2. Como la fuerza motriz de una reacción fotocatalítica es de la luz solar, la idea básica es utilizar la tecnología de concentración para aumentar la intensidad de la luz solar incidente. Concentrar una luz de área grande en un área pequeña no sólo puede aumentar la intensidad de la luz, sino también reducir la cantidad del catalizador, así como el volumen del reactor, y aumentar la temperatura de la superficie. La concentración de la luz se puede realizar por diferentes dispositivos. En este manuscrito, es realizado por una lente Fresnel. La luz penetra en la lente y se concentra en un catalizador en forma de disco. Los resultados muestran que tanto la tasa de reacción como el rendimiento total se incrementan eficientemente. El método se puede aplicar a la mayoría de los catalizadores de fotoreducción de CO 2, así como a reacciones similares con una baja tasa de reacción a la luz natural.
Introduction
La utilización de combustibles fósiles va acompañada de grandes cantidades de emisiones de CO2, contribuyendo en gran medida al calentamiento global. La captura, el almacenamiento y la conversión de CO2 son esenciales para reducir el contenido de CO2 en la atmósfera1. La fotoreducción de CO2 a hidrocarburos puede reducir EL2,convertir CO2 en combustibles y ahorrar energía solar. Sin embargo, el CO2 es una molécula extremadamente estable. Su enlace C-O posee una mayor energía de disociación (alrededor de 750 kJ/mol)2. Esto significa que el CO2 es muy difícil de activar y transformar, y sólo las luces cortas de longitud de onda con alta energía pueden ser funcionales durante el proceso. Por lo tanto, los estudios de fotoreducción de CO2 sufren de bajas eficiencias de conversión y tasas de reacción en la actualidad. La mayoría de las tasas de rendimiento de CH4 notificadas son sólo en varios niveles decata-1-1 en un catalizador TiO2 3,4. El diseño y la fabricación de sistemas fotocatalíticos con alta eficiencia de conversión y tasa de reacción para la reducción de CO2 siguen siendo un desafío.
Un área popular de investigación en catalizadores de fotoreducción de CO2 es ampliar la banda de luz disponible al espectro visible y mejorar la eficiencia de utilización de estas longitudes de onda5,6. En su lugar, en este manuscrito, tratamos de aumentar la tasa de reacción mejorando la intensidad de la luz. Como la fuerza motriz de una reacción fotocatalítica es la luz solar, la idea básica es utilizar la tecnología de concentración para aumentar la intensidad de la luz solar incidente y, por lo tanto, aumentar la tasa de reacción. Esto es similar a un proceso termocatalítico, donde la tasa de reacción se puede aumentar aumentando la temperatura. Por supuesto, el efecto de temperatura no se puede aumentar infinitamente, y también con la intensidad de la luz; un objetivo importante de esta investigación es encontrar una relación de intensidad o concentración de luz adecuada.
Este no es el primer experimento que utiliza tecnología de concentración. De hecho, ha sido ampliamente utilizado en la concentración de energía solar y tratamiento de aguas residuales7,8. Los biomateriales como el aserrín de madera de haya se pueden pirolizar en un reactor solar9,10. Algunos informes anteriores han mencionado el método de fotoreducción de CO2 11,12,13. Una muestra exhibió un incremento del 50% en el rendimiento del producto cuando la intensidad de la luz se duplicó14. Nuestro grupo ha descubierto que la luz de concentración puede aumentar la tasa de rendimiento de CH4 con un aumento de hasta 12 veces en intensidad. Además, el pretratamiento del catalizador antes de la reacción mediante la concentración de la luz puede aumentar aún más la tasa de rendimiento de CH4 15. Aquí, demostramos el sistema experimental y el método en detalle.
Protocol
Representative Results
Discussion
La luz de concentración reduce el área incidente de luz y requiere el uso de un catalizador en forma de disco o un reactor de lecho fijo para sostener el catalizador. Dado que la fuente de luz suele ser una lámpara de forma redonda, la forma del catalizador también debe ser redonda. Para obtener un disco redondo, es posible presionar el polvo en un disco comprimido o cambiar la lámina metálica en un óxido por anodización. El método de anodización utiliza electricidad para oxidar el metal a un semiconductor de ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo cuenta con el apoyo de la Fundación de Ciencias Naturales de China (No 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
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