CO2 Photoreduction إلى CH4 الأداء تحت تركيز الضوء الشمسي

XiaoXiang Fang; Zhihong Gao; Hanfeng Lu; Qiulian Zhu; Zekai Zhang

doi:10.3791/58661

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Summary

نقدم بروتوكوللتحسين أداء CO₂ photoreduction إلى CH₄ من خلال زيادة كثافة ضوء الحادث من خلال تركيز تكنولوجيا الطاقة الشمسية.

Abstract

نحن نبرهن على طريقة لتعزيز CO₂ photoreduction. كما القوة الدافعة لرد الفعل الضوئي هو من الضوء الشمسي، والفكرة الأساسية هي استخدام تكنولوجيا التركيز لرفع كثافة الضوء الشمسي الحادث. تركيز ضوء منطقة كبيرة على منطقة صغيرة لا يمكن إلا أن تزيد من شدة الضوء، ولكن أيضا تقليل كمية محفز، فضلا عن حجم المفاعل، وزيادة درجة حرارة السطح. يمكن تحقيق تركيز الضوء من قبل أجهزة مختلفة. في هذه المخطوطة، تتحقق من قبل عدسة فريسنل. الضوء يخترق العدسة ويتركز على محفز على شكل قرص. وتبين النتائج أن معدل رد الفعل والغلة الإجمالية يزدادان بكفاءة. ويمكن تطبيق هذه الطريقة على معظم المواد الحفازة CO₂تقليل الضوئي، وكذلك على ردود فعل مماثلة مع انخفاض معدل التفاعل في الضوء الطبيعي.

Introduction

ويقترن استخدام الوقود الأحفوري بكميات كبيرة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، مما يسهم إسهاما كبيرا في الاحترار العالمي. احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه وتحويله ضروري للحد من محتوى ثاني أكسيد الكربون₂ في الغلاف الجوي¹. يمكن أن يقلل الحد الضوئي منثاني أكسيد الكربون إلى الهيدروكربونات من ثاني أكسيد الكربون، وتحويل ثاني أكسيد الكربون₂ إلى وقود، وتوفير الطاقة الشمسية. ومع ذلك، CO₂ هو جزيء مستقر للغاية. في C = O السندات تمتلك طاقة تفكك أعلى (حوالي 750 كيلو جول / مول)². وهذا يعني أن CO₂ من الصعب جدا أن يتم تفعيلها وتحويلها، وأضواء الطول الموجي القصير فقط مع الطاقة العالية يمكن أن تكون وظيفية خلال هذه العملية. ولذلك، فإن دراسات خفض الصور في ثاني أكسيد الكربون تعاني من انخفاض كفاءة التحويل ومعدلات التفاعل في الوقت الحاضر. معظم معدلات الغلة CH₄ المبلغ عنها هي فقط في عدة μmol·g_cata^-1·h^-1 المستويات على محفز TiO₂ ³^,⁴. ولا يزال تصميم وتصنيع النظم الحفازة الضوئية ذات الكفاءة العالية للتحويل ومعدل التفاعل من أجل الحد من ثاني أكسيد الكربون يشكل تحدياً.

أحد المجالات الشعبية للبحث في محفزات CO₂ للتقليل الضوئي هو توسيع نطاق الضوء المتاح إلى الطيف المرئي وتعزيز كفاءة استخدام هذه الأطوال الموجية⁵و6. بدلا من ذلك، في هذه المخطوطة، ونحن نحاول زيادة معدل رد الفعل من خلال تعزيز كثافة الضوء. وبما أن القوة الدافعة لرد الفعل الحفاز الضوئي هي الضوء الشمسي، فإن الفكرة الأساسية هي استخدام تكنولوجيا التركيز لرفع شدة الضوء الشمسي للحادث، وبالتالي زيادة معدل التفاعل. وهذا يشبه عملية التحليل الحراري، حيث يمكن زيادة معدل التفاعل عن طريق زيادة درجة الحرارة. وبطبيعة الحال، لا يمكن زيادة تأثير درجة الحرارة بلا حدود، وبالمثل مع شدة الضوء. والهدف الرئيسي من هذا البحث هو العثور على كثافة الضوء مناسبة أو نسبة التركيز.

هذه ليست التجربة الأولى التي تستخدم تكنولوجيا التركيز. في الواقع، وقد استخدمت على نطاق واسع في تركيزالطاقة الشمسية ومعالجة مياه الصرف الصحي 7،^8. المواد الحيوية مثل نشارة الخشب الزان يمكن أن يكونpyrolyzed في مفاعل للطاقة الشمسية 9،^10. وقد ذكرت بعض التقارير السابقة طريقة CO₂ photoreduction^11،^12،¹³. وأظهرت عينة واحدة زيادة 50٪ في العائد المنتج عندما تضاعفت كثافة الضوء^14. وقد وجدت مجموعتنا أن تركيز الضوء يمكن أن يرفع معدل العائد CH₄ مع زيادة تصل إلى 12 أضعاف في كثافة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن المعالجة المسبقة للمحفز قبل رد الفعل عن طريق تركيز الضوء زيادة معدل العائد CH₄ ^15. هنا، ونحن نبين النظام التجريبي والأسلوب بالتفصيل.

Protocol

تحذير: يرجى الرجوع إلى جميع أوراق بيانات سلامة المواد ذات الصلة (MSDS) قبل التشغيل. العديد من المواد الكيميائية قابلة للاشتعال وتآكل للغاية. يمكن أن يسبب تركيز الضوء كثافة الضوء الضارة وزيادات في درجة الحرارة. يرجى استخدام جميع أجهزة السلامة المناسبة مثل معدات الحماية الشخصية (نظارات السلامة، والقفازات، والمعاطف مختبر، والسراويل، الخ).

1. إعداد محفز

إعداد TiO₂ عن طريق أنودة
ملاحظة: يستخدم الأنودة رقائق معدنية واحباط Pt كقطبين مضادين. يتم وضع القطبين في الكهارل. باستخدام الكهرباء، يتم أكسدة رقائق معدنية في موقع الأنود.
1. حل 0.3 غرام من NH₄F و 2 مل من H₂O في 100 مل من غليكول في كوب 200 مل مع النمام لتشكيل الكهارل. ضع الحمّاب مع الإلكتروليت في حمام مائي بزاوية 45 درجة مئوية.
2. تقليم احباط تي (50 × 250 مم الحجم) مع مقص إلى 25 × 25 ملم.
3. قم بتلميع سطح رقائق Ti بورق من الصنفرة بـ 7000 شبكة لإزالة الشوائب السطحية.
4. غمر احباط تي في قارورة الحجمية التي تحتوي على 15 مل من الإيثانول، ثم قارورة مع 15 مل من الأسيتون، ثم علاجها لمدة 15 دقيقة مع منظف بالموجات فوق الصوتية. إخراج احباط تي، شطفه 3 - 5X مع الماء منزوع الأيونات، ووضعها في قارورة الحجم التي تحتوي على 20 مل من الإيثانول.
5. حل 10 مل من H₂O، 5 مل من HNO 3، 3 مل من H₂O_2،1 مل من 18٪ wt (NH₂₎₂CO، و 1 مل من 18٪ WT NH₄F في كوب 100 مل لتشكيل محلول تلميع.
6. إخراج احباط تي من قارورة الإيثانول، شطفه 3X مع الماء منزوع الأيونات، ووضعها في حل تلميع لمدة 2 - 3 دقائق.
7. استخدام مقطع التمساح الأنود لعقد احباط تي المعالجة مسبقا ومقطع آخر لعقد احباط حزب العمال (25 × 25 ملم). وضع اثنين من رقائق وجها لوجه في الكهارل على مسافة 2 سم من بعضها البعض. تشغيل مباشرة الحالية (العاصمة) استقرت مصدر الطاقة الحالية، وضبط الجهد إلى 50 V، والكهرباء لمدة 30 دقيقة.
8. بعد الانتهاء من أنودة، وإغلاق السلطة وإخراج رقائق TiO₂
9. غمر احباط تي في قارورة الحجمية التي تحتوي على 15 مل من الإيثانول، ثم قارورة مع 15 مل من الأسيتون، ثم علاجها لمدة 15 دقيقة مع منظف بالموجات فوق الصوتية. إخراج احباط تي، شطفه 3 - 5X مع الماء منزوع الأيونات، ووضعها في بوتقة 50 مل.
10. ضع البوتقة في فرن عند 60 درجة مئوية لمدة 12 ساعة لتترك الرقاقة تجف.
11. Calcine احباط TiO₂ في فرن كاتم الصوت تحت 400 درجة مئوية لمدة 2 ساعة مع معدل التدفئة من 2 درجة مئوية / دقيقة.

2. الاختبارات الحفازةوتحليل P roduct

الاختبارات الحفازة تحت تركيز الضوء
1. تنظيف المفاعل على شكل اسطوانة غير القابل للصدأ (القطر الداخلي = 5.5 سم، حجم = 100 مل) مع الماء منزوع الأيونات ثم تجفيفه في فرن في 60 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة، لضمان عدم وجود تدخل من مصادر الكربون الأخرى.
2. إخراج المفاعل من الفرن، إضافة 2 مل H₂O، النمام، وحامل محفز (رف صغير يحمل محفز في المفاعل)، ووضع زجاج الكوارتز مع المسام (قطر = 2 سم) على الجزء السفلي من حامل ومحفز TiO₂ (قطر = 1 سم) على مركز زجاج الكوارتز. وضع الحرارية من خلال فتحة على جدار المفاعل على سطح محفز. إضافة عدسة فريسنل على الجزء العلوي من حامل وختم المفاعل مع نافذة زجاج الكوارتز.
3. ضع المفاعل على الجهاز الكهرومغناطيسي تحقق من ضيق الهواء معالنيتروجين (N 2).
4. تغذية ثاني أكسيد الكربون₂ (99.99%) في المفاعل من خلال وحدة تحكم تدفق الكتلة (MFC) وطرد المفاعل ما لا يقل عن 3X لتغيير الغاز في المفاعل إلى CO₂.
5. ضع مصباح Xe 2 سم مباشرة فوق المفاعل، افتح قوة مصباح Xe واضبط تياره إلى 15 A، ودرّأ مفتاح النمام المغناطيسي لبدء التفاعل.
6. تسجيل تغير درجة الحرارة على سطح محفز وفي الغاز.
تحليل المنتجات
1. تحليل المنتج كل 1 ساعة باستخدام الكروماتوغرافيا الغاز (GC)، والتي تم تجهيزها مع كاشف اللهب المتأين (FID) وعمود الشعرية (انظر جدولالمواد) لفصل C 1-C₆ الهيدروكربونات.
2. حساب عدد المنتجات حسب أسلوب الخط القياسي الخارجي. قبل قياس المنتج، وبناء منحنى قياسي منالميثان (CH 4).
الاختبارات الحفازة تحت تركيز الضوء مع المعالجة المسبقة
ملاحظة: يشبه هذا الإجراء 2-1، مع الإشارة إلى الاختلافات.
1. غسل المفاعل كما هو الحال في الخطوة 2.1.1.
2. تجميع المفاعل كما هو الحال في الخطوة 2.1.2، إلا دون إضافة H₂O.
3. تحقق من ضيق الهواء كما هو الحال في الخطوة 2.1.3.
4. تغذية الغاز المعالجة المسبقة (مثل الهواء، N₂ و H₂O) في المفاعل من خلال MFC وتبادل الغاز ثلاث مرات على التوالي لجعل المفاعل نقية الغاز المعالجة المسبقة.
5. ضبط المصباح كما هو الحال في الخطوة 2.1.5.
6. إبقاء محفز تحت الضوء (10 نسبة التركيز) الإضاءة لمدة 1 ساعة في الغلاف الجوي للهواء، ثم إيقاف مصباح Xe والنمام المغناطيسي لإنهاء المعالجة المسبقة.
7. تغذية ثاني أكسيد الكربون₂ (99.99%) في المفاعل كما هو الحال في الخطوة 2.1.4.
8. حقن 2 مل H₂O في المفاعل من فتح الجدار. افتح مصباح Xe وقوة النمام المغناطيسي لبدء رد الفعل كخطوة 2.1.5.
9. تسجيل تغيير درجة الحرارة كما هو الحال في الخطوة 2.1.6.

النتائج

يحتوي نظام المفاعل الضوئي الضوئي الأصلي بشكل رئيسي على مكونين، مصباح Xe ومفاعل أسطوانة غير قابل للصدأ. بالنسبة لنظام المفاعل الخفيف المركز، أضفنا عدسة فريسنل وحامل محفز، كما هو موضح في الشكل1. يتم استخدام عدسة فريسنل لتركيز الضوء في منطقة أصغر. وبما أن الض...

Discussion

تركيز الضوء يقلل من منطقة الحادث الخفيفة ويتطلب استخدام محفز على شكل قرص أو ما يسمى مفاعل ثابت السرير لعقد محفز. وبما أن مصدر الضوء هو عادة مصباح على شكل دائري، يجب أن يكون شكل المحفز أيضا جولة. للحصول على قرص مستدير ، من الممكن الضغط على المسحوق في قرص عن طريق التابلت أو تغيير احباط المعادن...

Disclosures

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

ويدعم هذا العمل مؤسسة العلوم الطبيعية في الصين (رقم 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., 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

148 CO2 H2O CH4

This article has been published

Video Coming Soon

Keep me updated:

CO₂ Photoreduction إلى CH₄ الأداء تحت تركيز الضوء الشمسي

In This Article