CO2 Fotoriduzione a CH4 Performance Under Concentrateing Solar Light

Riepilogo

Presentiamo un protocollo per migliorare le prestazioni della fotoriduzione del CO₂ a CH₄ aumentando l'intensità della luce incidente attraverso la tecnologia a concentrazione dell'energia solare.

Abstract

Dimostriamo un metodo per il miglioramento della fotoriduzione di CO 2. Poiché la forza motrice di una reazione fotocatalitica proviene dalla luce solare, l'idea di base è quella di utilizzare la tecnologia di concentrazione per aumentare l'intensità della luce solare incidente. La concentrazione di una luce su larga area su una piccola area non può solo aumentare l'intensità della luce, ma anche ridurre la quantità del catalizzatore, così come il volume del reattore, e aumentare la temperatura superficiale. La concentrazione di luce può essere realizzata da diversi dispositivi. In questo manoscritto, è realizzato da una lente Fresnel. La luce penetra nell'obiettivo e si concentra su un catalizzatore a forma di disco. I risultati mostrano che sia il tasso di reazione che il rendimento totale sono aumentati in modo efficiente. Il metodo può essere applicato alla maggior parte dei catalizzatori di fotoriduzione di CO 2, nonché a reazioni simili con un basso tasso di reazione alla luce naturale.

Introduzione

L'utilizzo dei combustibili fossili è accompagnato da grandi quantità di emissioni di CO2, contribuendo notevolmente al riscaldamento globale. L'acquisizione, lo stoccaggio e la conversione di CO₂ sono essenziali per ridurre il contenuto di_{CO 2} nell'atmosfera¹. La fotoriduzione tra CO₂ e idrocarburi può ridurre co2, convertire CO₂ in combustibili e risparmiare energia solare. Tuttavia, la CO₂ è una molecola estremamente stabile. Il suo legame di C-O possiede un'energia di dissociazione più alta (circa 750 kJ/mol)². Ciò significa che la CO₂ è molto difficile da attivare e trasformare e solo le luci a breve lunghezza d'onda ad alta energia possono essere funzionali durante il processo. Pertanto, gli studi di fotoriduzione del CO₂ soffrono di bassi tassi di conversione e tassi di reazione attualmente. La maggior parte dei tassi di rendimento ch₄ segnalati si trova solo a diversi livelli di_cata^-1-h^-h su un catalizzatore TiO₂ ^3,4. La progettazione e la fabbricazione di sistemi fotocatalitici con elevata efficienza di conversione e tasso di reazione per la riduzione della CO2 rimangono una sfida.

Un'area popolare di ricerca sui catalizzatori di fotoriduzione delle co2 è quella di ampliare la banda luminosa disponibile allo spettro visibile e migliorare l'efficienza di utilizzo di queste lunghezze d'onda^5,6. Invece, in questo manoscritto, cerchiamo di aumentare il tasso di reazione aumentando l'intensità della luce. Poiché la forza motrice di una reazione fotocatalitica è la luce solare, l'idea di base è quella di utilizzare la tecnologia di concentrazione per aumentare l'intensità della luce solare incidente e, quindi, aumentare il tasso di reazione. Questo è simile a un processo termalitico, dove il tasso di reazione può essere aumentato aumentando la temperatura. Naturalmente, l'effetto della temperatura non può essere aumentato all'infinito, e allo stesso modo con l'intensità della luce; uno degli obiettivi principali di questa ricerca è quello di trovare un adeguato rapporto di intensità o concentrazione della luce.

Questo non è il primo esperimento che utilizza la tecnologia di concentrazione. Infatti, è stato ampiamente utilizzato nella concentrazione dell'energia solare e del trattamento delle acque reflue^7,8. Biomateriali come la segatura a legno di faggio possono essere piacizzati in un reattore solare^9,10. Alcuni rapporti precedenti hanno menzionato il metodo per la fotoriduzione_co2 ^11,12,13. Un campione ha mostrato un incremento del 50% della resa del prodotto quando l'intensità della luce è stata raddoppiata^{di 14}. Il nostro gruppo ha scoperto che la luce concentrata può aumentare il tasso di rendimento di CH₄ con un aumento di intensità fino a 12 volte. Inoltre, il pretrattamento del catalizzatore prima della reazione di concentrazione della luce può aumentare ulteriormente il tasso di resa CH₄ ¹⁵. Qui, dimostriamo il sistema sperimentale e il metodo in dettaglio.

Protocollo

Attenzione: si prega di consultare tutte le schede tecniche di sicurezza dei materiali pertinenti (MSDS) prima del funzionamento. Diverse sostanze chimiche sono infiammabili e altamente corrosive. La concentrazione della luce può causare aumenti nocivi dell'intensità della luce e della temperatura. Si prega di utilizzare tutti i dispositivi di sicurezza appropriati come dispositivi di protezione personale (occhiali di sicurezza, guanti, cappotti da laboratorio, pantaloni, ecc).

1. Preparazione del catalizzatore

1. Preparazione di TiO₂ per anodizzazione
   Nota: La bidicazione utilizza lamine metalliche e un foglio Pt come due controelettrodi. I due elettrodi vengono messi nell'elettrolita. Utilizzando l'elettricità, i fogli metallici del sito dell'anodo vengono ossidati.
   1. Sciogliere 0,3 g di NH₄F e 2 mL di H₂O in 100 mL di glicole in un becher da 200 mL con un stirrer per formare l'elettrolita. Mettere il becher con l'elettrolita in un bagno d'acqua a 45 gradi centigradi.
   2. Tagliare la lamina Ti (50 x 250 mm di dimensione) con le forbici a 25 x 25 mm.
   3. Polacco la superficie della lamina Ti con una carta vetrata a 7.000 maglie per rimuovere le impurità superficiali.
   4. Immergere la lamina Ti in un flacone volumetrico contenente 15 mL di etanolo, poi un pallone con 15 mL di acetone, quindi trattarlo per 15 min con un detergente ad ultrasuoni. Estrarre la lamina Ti, sciacquarla 3 - 5x con acqua deionizzata e metterla in una fiaschetta volumetrica contenente 20 mL di etanolo.
   5. Sciogliere 10 mL di H₂O, 5 mL di HNO₃, 3 mL di H₂O₂, 1 mL di 18% wt (NH₂)₂CO e 1 mL del 18% wt NH₄F in un becher da 100 mL per formare una soluzione di lucidatura.
   6. Togliere la lamina Ti dal flacone di etanolo, sciacquarla 3x con acqua deionizzata e metterla nella soluzione di lucidatura per 2 - 3 min. Rimuovere la pellicola Ti e lavarla con acqua deionizzata per 3x.
   7. Utilizzare una clip di alligatore anodo per tenere il foglio Ti pretrattato e un'altra clip per tenere un foglio Pt (25 x 25 mm). Posizionare i due fogli faccia a faccia nell'elettrolita ad una distanza di 2 cm l'uno dall'altro. Accendere la fonte di corrente stabilizzata a corrente diretta (DC), regolare la tensione a 50 V ed elettrolizzare per 30 min.
   8. Al termine dell'anodizzazione, chiudere la potenza ed estrarre la lamina TiO₂
   9. Immergere la lamina Ti in un flacone volumetrico contenente 15 mL di etanolo, poi un pallone con 15 mL di acetone, quindi trattarlo per 15 min con un detergente ad ultrasuoni. Estrarre la lamina Ti, sciacquarla 3 - 5x con acqua deionizzata e metterla in un crogiolo di 50 mL.
   10. Mettere il crogiolo in forno a 60 gradi centigradi per 12 h per lasciare asciugare la lamina.
   11. Calcine il foglio TiO₂ in un forno a muffola sotto i 400 gradi centigradi per 2 h con un tasso di riscaldamento di 2 gradi centigradi/min.

2. Test catalitici eanalisi del roduttore

1. Test catalitici sotto la luce concentrata
   1. Pulire il reattore a forma di cilindro inossidabile (diametro interno di 5,5 cm, volume e 100 mL) con acqua dionizzata, quindi asciugarlo in forno a 60 gradi centigradi per 10 min, per garantire nessuna interferenza da altre fonti di carbonio.
   2. Estrarre il reattore dal forno, aggiungere 2 mL H₂O, un frustore e un supporto catalizzatore (un piccolo ripiano che tiene il catalizzatore nel reattore) e mettere un vetro al quarzo con pori (diametro e 2 cm) sul fondo del supporto e il catalizzatore TiO₂ (diametro : 1 cm) su al centro del vetro di quarzo. Mettere una termocoppia attraverso un'apertura sulla parete del reattore sulla superficie del catalizzatore. Aggiungere una lente Fresnel sulla parte superiore del supporto e sigillare il reattore con una finestra di vetro al quarzo.
   3. Mettere il reattore sull'apparato elettromagnetico. Controllare la tenuta d'aria con azoto (N₂).
   4. Alimentare il CO₂ (99,99%) nel reattore attraverso un regolatore di flusso di massa (MFC) e sciacquare il reattore almeno 3 volte per cambiare il gas nel reattore in CO₂.
   5. Posizionare la lampada Xe 2 cm direttamente sopra il reattore, aprire la potenza della lampada Xe e regolare la sua corrente a 15 A, e accendere l'interruttore agitatore magnetico per avviare la reazione.
   6. Registrare il cambiamento di temperatura sulla superficie del catalizzatore e nel gas.
2. Analisi del prodotto
   1. Analizzare il prodotto ogni 1 h utilizzando una cromatografia a gas (GC), che è dotata di un rilevatore ionizzato di fiamma (FID) e di una colonna capillare (vedi Tabella dei materiali) per la separazione degli idrocarburi C₁-C_6.
   2. Calcolare il numero di prodotti in base al metodo di linea standard esterno. Prima di quantificare il prodotto, costruire una curva standard di metano (CH₄).
3. Test catalitici a luce concentrata con pretrattamento
   Nota: questa procedura è simile alla 2.1, con le differenze rilevate.
   1. Lavare il reattore come al punto 2.1.1.
   2. Assemblare il reattore come al punto 2.1.2, tranne senza aggiungere H₂O.
   3. Controllare la tenuta d'aria come nel passaggio 2.1.3.
   4. Alimentare il gas di pretrattamento (come l'aria, N₂ e H₂O) nel reattore attraverso un MFC e scambiare il gas tre volte di seguito per rendere il reattore gas di pretrattamento puro.
   5. Regolare la lampada come al punto 2.1.5.
   6. Mantenere il catalizzatore sotto luce (10 rapporto di concentrazione) illuminazione per 1 h in atmosfera aria, quindi spegnere la lampada Xe e stirrer magnetico per terminare il pretrattamento.
   7. Alimentare il CO₂ (99,99%) nel reattore come al punto 2.1.4.
   8. Iniettare 2 mL H₂O nel reattore dall'apertura della parete. Aprire la lampada Xe e la potenza dell'agitatore magnetico per avviare la reazione come passaggio 2.1.5.
   9. Registrare il cambiamento di temperatura come al punto 2.1.6.

Risultati

Il sistema originale del reattore fotocatalitico contiene principalmente due componenti, una lampada Xe e un reattore a cilindro inossidabile. Per il sistema di reattori a luce di concentrazione, abbiamo aggiunto una lente Fresnel e un supporto catalizzatore, come mostrato nella Figura 1. La lente Fresnel viene utilizzata per concentrare la luce in un'area più piccola. Poiché la luce è stata concentrata, il catalizzatore deve essere collocato in una zona i...

Discussione

La luce di concentrazione riduce l'area dell'incidente di luce e richiede l'uso di un catalizzatore a forma di disco o di un cosiddetto reattore a letto fisso per tenere il catalizzatore. Poiché la sorgente luminosa è di solito una lampada a forma rotonda, anche la forma del catalizzatore dovrebbe essere rotonda. Per ottenere un disco rotondo, è possibile premere la polvere in un disco compresso o per cambiare la lamina metallica in un ossido da anodizzazione. Il metodo di anodizzazione utilizza l'elettricità per oss...

Materiali

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.