CO2 fotoreductie naar CH4 prestaties onder concentreren Solar Light
Summary
We presenteren een protocol voor het verbeteren van de prestaties van CO2 photoreduction to CH4 door de lichtintensiteit van het incident te verhogen via het concentreren van zonne-energietechnologie.
Abstract
We demonstreren een methode voor de verbetering van CO2 photoreduction. Aangezien de drijvende kracht van een fotokatalytische reactie afkomstig is van zonnelicht, is het basisidee om de concentratie technologie te gebruiken om de zonnelicht intensiteit van het incident te verhogen. Het concentreren van een groot gebied licht op een klein gebied kan niet alleen de lichtintensiteit verhogen, maar ook de katalysator hoeveelheid, evenals het reactorvolume verminderen en de oppervlaktetemperatuur verhogen. De concentratie van licht kan worden gerealiseerd door verschillende apparaten. In dit manuscript wordt het gerealiseerd door een Fresnel-lens. Het licht dringt door de lens en is geconcentreerd op een schijfvormige katalysator. De resultaten tonen aan dat zowel de reactiesnelheid als de totale opbrengst efficiënt worden verhoogd. De methode kan worden toegepast op de meeste CO2 -fotoreductie-katalysatoren, evenals op vergelijkbare reacties met een lage reactiesnelheid bij natuurlijk licht.
Introduction
Het gebruik van fossiele brandstoffen gaat gepaard met grote hoeveelheden CO2 -uitstoot, die sterk bijdraagt aan de opwarming van de aarde. CO2 Capture, Storage en Conversion zijn essentieel om de co2 -inhoud in de atmosfeer1te reduceren. De photoreductie van CO2 op koolwaterstoffen kan co2verminderen, co2 omzetten in brandstoffen en zonne-energie besparen. CO2 is echter een extreem stabiele molecule. De C = O-binding bezit een hogere dissociatie energie (ongeveer 750 kJ/mol)2. Dit betekent dat CO2 zeer moeilijk te activeren en te transformeren is, en alleen korte golflengte lichten met hoge energie kunnen tijdens het proces functioneel zijn. Daarom hebben CO2 photoreduction studies last van lage conversie-efficiëntie en reactiepercentages op dit moment. De meeste gerapporteerdeCH 4 -rendementspercentages zijn slechts op verschillende μmol · gCata-1· h-1- niveaus op een Tio2 -katalysator3,4. Het ontwerp en de fabricage van fotokatalytische systemen met een hoge conversie-efficiëntie en reactiesnelheid voor CO2 -reductie blijven een uitdaging.
Een populair gebied van onderzoek naar co2 -fotoreductie-katalysatoren is het verbreden van de beschikbare lichtband tot het zichtbare spectrum en het verbeteren van de gebruiksefficiëntie van deze golflengten5,6. In plaats daarvan proberen we in dit manuscript de reactiesnelheid te verhogen door de lichtintensiteit te verbeteren. Aangezien de drijvende kracht van een fotokatalytische reactie zonne-licht is, is het basisidee om de concentratie technologie te gebruiken om de zonnelicht intensiteit van het incident te verhogen en daarom de reactiesnelheid te verhogen. Dit is vergelijkbaar met een thermokatalytisch proces, waarbij de reactiesnelheid kan worden verhoogd door de temperatuur te verhogen. Natuurlijk kan het temperatuur effect niet oneindig worden verhoogd, en ook met de lichtintensiteit; een belangrijk doel van dit onderzoek is het vinden van een geschikte lichtintensiteit of concentratie ratio.
Dit is niet het eerste experiment dat gebruik maakt van de concentratie technologie. In feite, het is op grote schaal gebruikt in het concentreren van zonne-energie en afvalwater behandeling7,8. Biomaterialen zoals beukenhout zaagsel kunnen in een zonne reactor9,10worden gepyrolyseerd. Sommige eerdere rapporten hebben de methode voor co2 photoreduction11,12,13genoemd. Eén monster vertoonde een toename van 50% in de productopbrengst wanneer de lichtintensiteit werd verdubbeld14. Onze groep heeft geconstateerd dat het concentreren van licht het opbrengstpercentage van de CH4 kan verhogen met een tot 12-voudige toename van de intensiteit. Bovendien kan de voor behandeling van de katalysator vóór de reactie door het concentreren van licht de opbrengst van de CH4 verder verhogen15. Hier demonstreren we het experimentele systeem en de methode in detail.
Protocol
Representative Results
Discussion
Concentratie licht vermindert het licht incident gebied en vereist het gebruik van een schijfvormige katalysator of een zogenaamde Fixed-bed reactor om de katalysator te houden. Aangezien de lichtbron meestal een ronde-vormige lamp is, moet de vorm van de katalysator ook rond zijn. Om een ronde schijf te verkrijgen, is het mogelijk om het poeder in een schijf op te drukken door tablettering of om de metalen folie in een oxide te veranderen door anodiseren. De anodiserings methode gebruikt elektriciteit om het metaal te o…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk wordt ondersteund door de Natural Science Foundation of China (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).
