CO2 photoreduction till CH4 prestanda under koncentrera solljuset
Summary
Vi presenterar ett protokoll för att förbättra prestandan för CO2 photoreduction till CH4 genom att öka den infallande ljusintensiteten via koncentrera solenergiteknik.
Abstract
Vi visar en metod för förbättring av CO2 photoreduction. Eftersom den drivande kraften i en fotokatalytisk reaktion är från solljuset, är den grundläggande idén att använda koncentrations teknik för att höja incidenten sol ljus intensitet. Att koncentrera ett stort ljus på ett litet område kan inte bara öka ljusintensiteten, men också minska katalysator mängden, liksom reaktorns volym, och öka yttemperaturen. Koncentrationen av ljus kan realiseras av olika enheter. I detta manuskript, det realiseras av en Fresnel lins. Ljuset tränger in i linsen och koncentreras på en skivformad katalysator. Resultaten visar att både reaktionshastigheten och den totala avkastningen ökar effektivt. Metoden kan appliceras på de flesta CO2 photoreduktions katalysatorer, samt liknande reaktioner med låg reaktionshastighet vid naturligt ljus.
Introduction
Utnyttjandet av fossila bränslen åtföljs av stora mängder CO2 utsläpp, bidrar kraftigt till den globala uppvärmningen. CO2 Capture, Storage och Conversion är nödvändiga för att minska Co2 -innehållet i atmosfären1. Den photoreduction av CO2 till kolväten kan minska Co2, konvertera Co2 till bränslen, och spara solenergi. Men CO2 är en extremt stabil molekyl. Dess C = nolla-förbindelsen äger en högre dissociationenergi (omkring 750 kJ/mol)2. Detta innebär att CO2 är mycket svårt att aktiveras och omvandlas, och endast korta våglängd ljus med hög energi kan fungera under processen. Därför, CO2 photoreduction studier lider av låg omvandlings effektivitet och reaktionshastigheter för närvarande. De flesta rapporterade CH4 -avkastingshastigheter är endast vid flera μmol · gCata-1· h-1 nivåer på en tio2 katalysator3,4. Utformningen och tillverkningen av fotokatalytiska system med hög verkningsgrad och reaktionshastighet för minskning av CO2 är fortfarande en utmaning.
Ett populärt forskningsområde i Co2 photoreduktions katalysatorer är att bredda det tillgängliga ljus bandet till det synliga spektrumet och öka utnyttjandegraden för dessa våglängder5,6. I stället försöker vi i detta manuskript öka reaktionshastigheten genom att förbättra ljusintensiteten. Eftersom den drivande kraften i en fotokatalytisk reaktion är solljuset, är den grundläggande idén att använda koncentrations teknik för att höja incidenten sol ljus intensitet och därmed öka reaktionshastigheten. Detta liknar en termokatalytisk process, där reaktionshastigheten kan ökas genom att öka temperaturen. Naturligtvis kan temperatureffekten inte ökas oändligt, och likaså med ljusintensiteten; ett viktigt mål för denna forskning är att hitta en lämplig ljusintensitet eller koncentrations förhållande.
Detta är inte det första experimentet som använder koncentrations teknik. I själva verket, det har använts i stor utsträckning koncentrera solenergi och avloppsvatten behandling7,8. Biomaterial såsom bokträ sågspån kan pyrolyseras i en sol reaktor9,10. Några tidigare rapporter har nämnt metoden för co2 photoreduction11,12,13. Ett prov uppvisade en 50% ökning i produktens avkastning när ljusintensiteten fördubblades14. Vår grupp har funnit att koncentrera ljuset kan höja CH4 avkastning takt med en upp till 12-faldig ökning i intensitet. Dessutom kan förbehandling av katalysator före reaktion genom att koncentrera ljuset ytterligare öka CH4 avkastningsgrad15. Här demonstrerar vi experimentellt system och metod i detalj.
Protocol
Representative Results
Discussion
Koncentrera ljuset minskar ljus incident området och kräver användning av en skivformad katalysator eller en så kallad fast-säng reaktor för att hålla katalysatorn. Eftersom ljuskällan är vanligtvis en rund-formad lampa, bör formen på katalysatorn också vara rund. För att få en rund skiva, är det möjligt att pressa pulvret i en skiva genom tablette eller att ändra metallfolie till en oxid av anodisering. Anodiseringsmetoden använder elektricitet för att oxidera metallen till en oxid halvledare. Efterso…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av Natural Science Foundation i Kina (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).
