Summary
Biz yoğun güneş enerjisi teknolojisi ile olay ışık yoğunluğu artırarak ch4 Co2 photoreduction performansını artırmak için bir protokol sunuyoruz.
Abstract
Biz CO2 photoreduction geliştirme için bir yöntem göstermektedir. Bir Fotokatalitik reaksiyon itici kuvvet güneş ışığında, temel fikir olay güneş ışığı yoğunluğu yükseltmek için konsantrasyon teknolojisini kullanmaktır. Büyük alan ışığını küçük bir alana konsantre etmek sadece ışık yoğunluğunu artıramaz, aynı zamanda katalizör miktarını ve reaktör hacmini azaltabilir ve yüzey sıcaklığını arttırır. Işığın konsantrasyonu farklı cihazlar tarafından gerçekleştirilebilir. Bu yazıda, bir Fresnel lens tarafından gerçekleştirilir. Işık objektif nüfuz ve disk şeklinde bir katalizör üzerinde yoğunlaşmıştır. Sonuçlar, hem reaksiyon oranının hem de toplam randımanın verimli bir şekilde arttığını göstermektedir. Yöntem çoğu CO2 photoreduction katalizör, yanı sıra doğal ışıkta düşük reaksiyon oranı ile benzer reaksiyonlar için uygulanabilir.
Introduction
Fosil yakıtların kullanımı büyük miktarlarda CO2 emisyon eşlik eder, küresel ısınmaya büyük katkı. CO2 ATMOSFERDEKI Co2 içeriğini azaltmak için yakalama, saklama ve dönüşüm esastır1. CO 2 hidrokarbonlar photoreduction CO2azaltabilir, yakıt Co2 dönüştürmek ve güneş enerjisi tasarruf. Ancak, CO2 son derece istikrarlı bir molekül. Onun C = O Bond daha yüksek bir ayrışma enerji sahiptir (hakkında 750 kj/mol)2. Bu, CO2 ' nin aktif olması ve dönüştürülmesi çok zor olduğu anlamına gelir ve işlem sırasında sadece yüksek enerjiye sahip kısa dalga boyunda ışıklar işlevsel olabilir. Bu nedenle, CO2 photoreduction çalışmaları düşük dönüşüm verimliliği ve tepki oranları Şu anda muzdarip. En çok bildirilenCH 4 verim oranları sadece birkaç μmol · gcata-1· h-1 seviyeleri bir Tio2 katalizör3,4. CO2 azaltma için yüksek dönüşüm verimliliği ve reaksiyon oranı ile Fotokatalitik sistemlerin tasarımı ve imalatı bir zorluk olarak kalır.
Co2 photoreduction katalizörler içine araştırma bir popüler alan görünür spektrumuna mevcut ışık bandı genişletmek ve bu dalga boyları5,6kullanım verimliliğini artırmak etmektir. Bunun yerine, bu yazıda, ışık yoğunluğunu artırarak reaksiyon oranını artırmaya çalışıyoruz. Bir Fotokatalitik reaksiyon itici kuvveti güneş ışığı olduğu için, temel fikir olay güneş ışığı yoğunluğu yükseltmek için konsantrasyon teknolojisini kullanmak ve bu nedenle, reaksiyon oranını artırmak. Bu, sıcaklık artırılarak reaksiyon oranının artabileceği bir termokatalitik işleme benzer. Tabii ki, sıcaklık etkisi sonsuz artış olamaz, ve aynı şekilde ışık yoğunluğu ile; Bu araştırmanın önemli bir amacı uygun bir ışık yoğunluğu veya konsantrasyon oranı bulmak.
Bu, konsantrasyon teknolojisini kullanan ilk deney değildir. Aslında, bu yaygın güneş enerjisi ve Atıksu Arıtma7,8konsantrasyon kullanılmıştır. Kayın ahşap talaş gibi Biyomalzemeler bir güneş reaktörü pirolize olabilir9,10. Bazı önceki raporlar Co2 photoreduction11,12,13için yöntemi bahsedilmiştir. Bir örnek, ışık yoğunluğu14iki katına çıktığında Ürün verimini% 50 artış sergiledi. Grubumuz, konsantre ışığın, 12 kat yoğunlukta artış ile CH4 verim hızını yükseltecektir buldu. Buna ek olarak, aydınlatma konsantre önce katalizör ön tedavisi daha da CH artırabilir4 verim oranı15. Burada deneysel sistemi ve yöntemi ayrıntılı olarak gösteriyoruz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Dikkat: lütfen çalışmadan önce tüm ilgili malzeme güvenliği veri sayfaları (MSDS) başvurun. Çeşitli kimyasallar yanıcı ve son derece korozif. Konsantre ışık zararlı ışık yoğunluğuna ve sıcaklık artışlara neden olabilir. Lütfen kişisel koruyucu ekipmanlar (güvenlik gözlükleri, eldiven, laboratuar paletleri, Pantolon vb.) gibi tüm uygun güvenlik cihazlarını kullanın.
1. katalizör hazırlama
-
Eloklama tarafından TiO2 hazırlanması
Not: Anodizasyon iki sayaç elektrotları olarak metal folyolar ve PT folyo kullanır. İki elektrotlar elektrolit içine konur. Elektrik kullanarak, anot sitesinde Metal folyolar oksitlenir.- % 0,3 g NH4F ve 2 ml H2O içine 100 ml glikol ile bir 200-ml kabı bir karıştırıcı ile elektrolit oluşturmak için. 45 °C ' lik su banyosuna elektrolit ile bir bardak koyun.
- Ti folyo (50 x 250 mm boyutu), makas ile 25 x 25 mm Trim.
- Yüzey safsızlıkları kaldırmak için bir 7.000-Mesh zımpara ile Ti folyo yüzeyi Lehçe.
- Etanol 15 ml, daha sonra 15 ml aseton ile bir Flask içeren hacimsel Flask içinde Ti folyo Submerge, daha sonra bir ultrasonik temizleyici ile 15 dakika için tedavi. Ti folyo dışarı atın, 3-5x deiyonize su ile durulayın ve bir Volumetrik Flask içeren 20 mL etanol içine yerleştirin.
- 10 ml h2o, 5 ml hno3, 3 ml h2o2, 1 ml% 18 WT (NH2)2Co, ve 1 ml% 18 WT NH4F içine 100-ml kabı içine bir parlatma solüsyonu oluşturmak için çözülür.
- Etanol Flask dan Ti folyo dışarı çıkarın, deiyonize su ile 3x durulayın ve 2-3 dk için parlatma çözümü içine koydu. Ti folyo çıkarın ve 3x için deiyonize su ile yıkayın.
- Önceden işlenmiş Ti folyo ve bir PT folyo (25 x 25 mm) tutmak için başka bir klip tutmak için bir anot timsah klibi kullanın. İki folyoları birbirine 2 cm mesafedeki elektrolit ile yüz yüze yerleştirin. Doğrudan akım (DC) stabilize akım güç kaynağını açın, voltaj 50 V 'ye ayarlayın ve 30 dakika boyunca elektrenze yapın.
- Eloklama bittikten sonra, güç kapatın ve TiO2 folyo dışarı çıkarmak
- Etanol 15 ml, daha sonra 15 ml aseton ile bir Flask içeren hacimsel Flask içinde Ti folyo Submerge, daha sonra bir ultrasonik temizleyici ile 15 dakika için tedavi. Ti folyo çıkarın, 3-5x deiyonize su ile durulayın ve bir 50-mL pota yerleştirin.
- 12 h için 60 °C ' de bir fırında pota koymak folyo kuru izin.
- 2 °c/dak Isıtma oranı ile 2 h için 400 °c altında bir kalıp fırınında Tio2 folyo calcine.
2. Katalitik testler ve Pürün analizi
-
Yoğunlaşan ışık altında katalitik testler
- Paslanmaz silindir şekilli reaktörü temizleyin (iç çap = 5,5 cm, hacim = 100 mL) deiyonize su ile, diğer karbon kaynaklarından herhangi bir müdahale sağlamak için 10 dakika içinde bir fırında 60 °C ' de kurutun.
- Fırından reaktörü dışarı çıkarın, 2 mL H2O, bir karıştırıcı ve bir katalizör tutucu (reaktörde katalizörü tutan küçük bir raf) ekleyin ve tutucu ve Tio2 katalizör (çapı = 1 cm) altında gözenekler (çap = 2 cm) ile bir kuvars cam koymak Kuvars camın merkezi. Katalizör yüzeyinde reaktör duvarındaki bir açıyla bir termokupi koyun. Tutucunun üstüne bir Fresnel lens ekleyin ve reaktörü kuvars cam pencereli olarak mühürleyin.
- Reaktörü elektromanyetik cihaz üzerine koy. Nitrojen ile hava sızdırmazlığını kontrol edin (N2).
- CO2 (99,99) beslemek reaktörün içine bir kitle akış denetleyicisi (MFC) ve Temizleme reaktörü en az 3x reaktör içinde gaz değiştirmek için CO2.
- XE lambasını 2 cm doğrudan reaktörün üzerine yerleştirin, XE lamba gücünü açın ve akımı 15 A 'ya ayarlayın ve reaksiyonu başlatmak için manyetik karıştırıcı anahtarını açın.
- Katalizör yüzeyi ve gaz sıcaklık değişikliği kaydedin.
-
Ürün analizi
- Bir alev iyonize dedektör (FıD) ve bir kapiller sütunu (bkz. malzeme tablosu) ile donatılmış bir gaz kromatografi (GC) kullanarak her 1 saat ürün analiz c1-c6 hidrokarbonlar ayrılması için.
- Dış standart satır yöntemine göre ürün sayısını hesaplayın. Ürünü ölçmeden önce, standart bir metan eğrisi (CH4) oluşturun.
-
Ön tedavi ile yoğunlaşan ışık altında katalitik testler
Not: Bu prosedür 2,1 için benzer, farklar belirtilmiştir.- Adım 2.1.1 olarak yıkama reaktörü.
- Reaktör adım 2.1.2, H2O eklemeden dışında birleştirin.
- Adım 2.1.3 olarak hava sızdırmazlığını kontrol edin.
- Ön arıtma gazı besleme (hava gibi, N2 ve H2O) bir MFC aracılığıyla reaktör içine ve değişim gaz reaktör saf ön arıtma gazı yapmak için üç kez arkaya.
- Adım 2.1.5 olarak lamba ayarlayın.
- Işık altında katalizör tutun (10 konsantre oranı) aydınlatma için 1 hava atmosferinde h, daha sonra ön tedavi bitirmek için XE lamba ve manyetik karıştırıcı kapatın.
- CO2 (99,99) beslemek Adım 2.1.4 olarak reaktör içine.
- 2 mL H2O reaktör içine duvar açılışından enjekte. Adım 2.1.5 olarak reaksiyon başlatmak için XE lamba ve manyetik karıştırıcı güç açın.
- Sıcaklık değişikliği adım 2.1.6 olarak kaydedin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Orijinal Fotokatalitik reaktör sistemi ağırlıklı olarak iki bileşen, bir XE lambası ve paslanmaz silindir reaktörü içerir. Konsantre ışık reaktörü sistemi için Şekil 1' de gösterildiği gibi bir Fresnel lens ve bir katalizör tutucu ekledik. Fresnel lens ışık daha küçük bir alanda konsantre kullanılır. Işık yoğunlaştığı için, katalizör aydınlatılmış bir alana yerleştirilmelidir; Bu nedenle, katalizör disk şeklinde yapılır ve bir tutucu bu alanda katalizör tutmak için kullanılır.
Anodizasyon yöntemi kullanıldığında, bir tabaka TiO2 nanotüp diziler folyo üzerinde form olacaktır. Şekil 2 bazı karakterizasyon sonuçlarını görüntüler. Ancak, daha da önemlisi, TiO2 diziler veya diğer yarı iletkenler kırma olmadan çeşitli boyutlarda diskler içine kolay kesme için folyo üzerinde sopa olabilir.
Biz olarak hazırlanmış TiO2 ve diğer yarıiletkenlerin katalizör performansı üzerinde yoğunlaşan ışık test ettik. Şekil 3 , farklı konsantrasyon ORANLARı altında ch4 verim ve ışınlama süresini (ışık kaynağının katalizör alanına oranı) tipik sonuçlarını görüntüler. Farklı katalizörler üzerinde metan reaksiyon oranları konsantrasyon koşullarında önemli ölçüde iyileştirilmiştir. TiO2' de, maksimum metan üretim oranı 34,56 μmol · gcata-1· h-1' e ulaşmıştır. Fe2O3durumunda, maksimum metan üretim oranı 19,15 μmol · gcata-1· h-1' e ulaştı ve doğa ışığı15' in altında yaklaşık 18 kat oranındadır. Katalizör uygun gaz (hava) ile önceden işlenmezse, metan üretim hızı daha da artırılabilir. Etkisi yüzey özellikleri değişiklikten olarak kabul edilir, ancak daha fazla araştırma bunu kanıtlamak için gereklidir.
Şekil 1: CO2' nin Fotokatalitik azaltılması için konsantre ışık reaktörü sistemi. (A) set-up fotoğraf. (B) set-up şematik. 1 = XE lamba, 2 = tquartz cam pencere, 3 = Fresnel lens, 4 = tutucu, 5 = photocatalyst, 6 = paslanmaz çelik reaktör, 7 = H2O, ve 8 = manyetik karıştırıcı. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 2: X-ışını kırması (XRD, sol) ve Tarama elektron mikroskop (SEM, sağ) Tio2 Anodizasyon tarafından. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 3: farklı konsantrasyon oranlarında (CR) CH4 verim için temsilci sonuçları. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Konsantre ışık ışık olay alanı azaltır ve bir disk şeklinde katalizör veya sözde sabit yatak reaktörü katalizör tutmak için kullanılması gerekir. Işık kaynağı genellikle yuvarlak şekilli bir lamba olduğundan, katalizör şekli de yuvarlak olmalıdır. Yuvarlak bir disk elde etmek için, bir diske Tabletleme veya elokasyon tarafından bir oksit içine metal folyo değiştirmek için toz basın mümkündür. Anodizasyon yöntemi, bir oksit yarıiletken metal oksitlemek için elektrik kullanır. Metal öncüsü zaten bir sac veya folyo olduğu için, onu kırmadan oksidasyondan sonra daha kolay kesilmiş olabilir.
Dikkate alınmalıdır başka bir faktör yoğunluk ölçümleri olduğunu. Biz ışık yoğunluğu bir ticari Dedektör kullanımı bazı sınırlamalar vardır çünkü konsantrasyon sonra ışık yoğunluğu vermedi. Böyle bir dedektör genellikle büyük bir yüzey alanı vardır (ID = 1 cm) ve onu korumak için bir duvar, aynı zamanda konsantrasyon ışığı ölçmek için kullanıldığında ışığın çoğunu engeller. Ayrıca, konsantre oranı büyükse, XE lamba küçük boyutu (genellikle 5 cm KIMLIĞI vardır) Dedektör alanından daha küçük olabilir çok küçük bir alana ışık konsantre olacaktır. Bu nedenle, daha fazla konsantre ışık tekniği araştırmak için, büyük ölçekli lambalar kullanılmalıdır ve yoğunluk dedektörü geliştirmek zorunda kalacak.
Burada sunulan protokolün uygulanması sonra, CH4 verim oranı açıkça uygun bir konsantrasyon oranı kullanılarak geliştirilmiştir, yani konsantre ışık olabilir, bir ölçüde, katalizör miktarını azaltmak. Tabii ki, daha yüksek bir ışık yoğunluğu her zaman katalizör performans için yararlı değildir; optimum konsantrasyon oranı vardır. Birçok faktör optimum konsantrasyon oranı görünümüne katkıda bulunabilir. Fotokataltik reaksiyonlar için, ışık yoğunluğunun reaksiyon sırası genellikle azalır, ışık yoğunluğu arttıkça, sıfıra ulaşana kadar. Yüksek yoğunluk da e--h+ çiftleri hızlı nesil ve yeniden kombinasyonuna neden olur.
Özetlemek gerekirse, CO2 photoreduction davranışını iyileştirmek için bir konsantre ışık yöntemi göstermiştir. Katalizör miktarını azaltarak ve reaksiyon hızını arttırmanın anlamını göz önünde bulundurarak, yöntem H2O Fotokatalitik dekompozisyon için yararlı olabılır, Co2azaltma, ve uçucu organik bileşiklerin bozulması (VOCs) altında gerçek güneş ışığı. Şu anda, gerçek güneş ışığı altında fotokataliz üzerinde birkaç çalışmalar vardır, ve verim çok düşüktür. Konsantrasyon büyük ölçüde reaktörün hacmini azaltabilir ve maliyetleri tasarruf edebilir; Buna ek olarak, ışık yoğunluğu ve sıcaklık artırabilir ve böylece, büyük ölçüde Fotokatalitik verimliliği artırmak, ancak güneş ışığı hareketinin dikkate alınarak otomatik bir güneş izleme sistemi eklemek için gerekli olabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların ifşa etmesi gereken hiçbir şey yok.
Acknowledgments
Bu çalışma Çin doğal Bilim Vakfı tarafından desteklenmektedir (No. 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).
