CO2 photoreduction para CH4 desempenho a concentração de luz solar

Resumo

Nós apresentamos um protocolo para melhorar o desempenho de co₂ fotorredução a ch₄ aumentando a intensidade de luz incidente através da tecnologia de energia solar de concentração.

Resumo

Nós demonstramos um método para o realce do photoreduction do CO₂ . Como a força motriz de uma reação fotocatalítica é da luz solar, a idéia básica é usar a tecnologia de concentração para elevar a intensidade da luz solar incidente. Concentrar uma luz da grande-área em uma área pequena não pode somente aumentar a intensidade de luz, mas igualmente reduz a quantidade do catalizador, assim como o volume do reator, e aumenta a temperatura de superfície. A concentração de luz pode ser realizada por diferentes dispositivos. Neste manuscrito, é realizado por uma lente de Fresnel. A luz penetra a lente e está concentrada em um catalisador em forma de disco. Os resultados mostram que tanto a taxa de reação quanto o rendimento total são eficientemente aumentados. O método pode ser aplicado à maioria dos catalisadores de fotoreeduction CO₂ , bem como a reações semelhantes com uma baixa taxa de reação à luz natural.

Introdução

A utilização de combustíveis fósseis é acompanhada por grandes quantidades de emissões de CO₂ , contribuindo grandemente para o aquecimento global. CO₂ captura, armazenamento e conversão são essenciais para reduzir o conteúdo de co₂ na atmosfera¹. A fotorredução de co₂ para hidrocarbonetos pode reduzir co₂, converter co₂ para combustíveis, e economizar energia solar. No entanto, CO₂ é uma molécula extremamente estável. Sua ligação de C = O possui uma energia mais elevada da dissociação (aproximadamente 750 kJ/mol)². Isto significa que CO₂ é muito difícil de ser ativado e transformado, e apenas curto comprimento de onda luzes com alta energia pode ser funcional durante o processo. Conseqüentemente, os estudos do fotorredução do co₂ sofrem das baixas eficiências da conversão e das taxas da reação presentemente. A maioria de taxas de rendimento relatadas ch₄ são somente em diversos μmol · g_cata^-1· níveis de h^-1 em um Catalyst^3detio₂ ,⁴. O projeto e a fabricação de sistemas fotocatalíticos com alta eficiência de conversão e taxa de reação para redução de CO₂ permanecem um desafio.

Uma área popular de pesquisa em co₂ catalisadores fotorredução é ampliar a faixa de luz disponível para o espectro visível e aumentar a eficiência de utilização destes comprimentos de onda^5,6. Em vez disso, neste manuscrito, tentamos aumentar a taxa de reação, aumentando a intensidade da luz. Como a força motriz de uma reação fotocatalítica é a luz solar, a idéia básica é usar a tecnologia de concentração para elevar a intensidade da luz solar incidente e, portanto, aumentar a taxa de reação. Isso é semelhante a um processo termocatalítico, onde a taxa de reação pode ser aumentada aumentando a temperatura. Naturalmente, o efeito da temperatura não pode ser aumentado infinita, e do mesmo modo com a intensidade de luz; um dos principais objetivos desta pesquisa é encontrar uma relação de intensidade ou concentração de luz adequada.

Este não é o primeiro experimento que usa a tecnologia de concentração. Na verdade, tem sido amplamente utilizado na concentração de energia solar e tratamento de águas residuais^7,8. Os biomateriais, como a serragem de madeira de faia^,podem ser pirolisados em um reator solar^9,10. Alguns relatos anteriores mencionaram o método de co₂ fotorredução^11,12,13. Uma amostra exibiu um incremento de 50% no rendimento do produto quando a intensidade da luz foi duplicada¹⁴. Nosso grupo encontrou que concentrar a luz pode levantar a taxa do rendimento do CH₄ com um aumento de até 12 vezes na intensidade. Além disso, o pré-tratamento do catalisador antes da reação concentrando a luz pode aumentar ainda mais a taxa de rendimento de CH₄ ¹⁵. Aqui, demonstramos o sistema experimental e o método em detalhe.

Protocolo

Atenção: por favor, consulte todas as fichas de dados de segurança (MSDS) relevantes antes da operação. Vários produtos químicos são inflamáveis e altamente corrosivos. Concentrar a luz pode causar a intensidade de luz prejudicial e aumenta a temperatura. Por favor, use todos os dispositivos de segurança adequados, como equipamento de proteção individual (óculos de segurança, luvas, jalecos, calças, etc.).

1. preparação do catalisador

1. Preparação do TiO₂ por anodização
   Nota: anodização usa folhas de metal e uma folha de pt como dois eletrodos de contador. Os dois eletrodos são colocados no eletrólito. Usando a eletricidade, as folhas de metal no local do ânodo são oxidadas.
   1. Dissolva 0,3 g de NH₄F e 2 ml de H₂O em 100 ml de glicol em um copo de 200 ml com um agitador para formar o eletrólito. Põr o copo com o eletrólito em um banho de água do ° c 45.
   2. Aparar a folha de ti (50 x 250 mm tamanho) com tesoura para 25 x 25 mm.
   3. Lustre a superfície da folha do ti com uma lixa 7.000-Mesh para remover as impurezas de superfície.
   4. Mergulhe a folha de ti em um balão volumétrico contendo 15 mL de etanol, em seguida, um balão com 15 mL de acetona, em seguida, tratá-lo por 15 min com um limpador ultra-sônico. Retire a folha de ti, enxague 3-5x com água desionizada e coloque-a num balão volumétrico contendo 20 mL de etanol.
   5. Dissolver 10 mL de H₂o, 5 ml de HNO₃, 3 ml de h₂o₂, 1 ml de 18% WT (NH₂)₂co, e 1 ml de 18% WT NH₄F em um copo de 100 ml para formar uma solução de polimento.
   6. Retire a folha de ti do balão de etanol, enxague-a 3x com água deionizada e coloque-a na solução de polimento por 2-3 min. Retire a folha de ti e lave-a com água deionizada por 3x.
   7. Use um grampo de jacaré do ânodo para prender a folha de ti pré-tratada e um outro grampo para prender uma folha do pinta (25 x 25 milímetros). Coloque as duas folhas cara a cara no eletrólito a uma distância de 2 cm uns dos outros. Gire sobre a fonte de alimentação atual estabilizada da corrente contínua (C.C.), ajuste a tensão a 50 V, e eletrize por 30 minutos.
   8. Após a anodização terminar, feche o poder e tirar o TiO₂ folha
   9. Mergulhe a folha de ti em um balão volumétrico contendo 15 mL de etanol, em seguida, um balão com 15 mL de acetona, em seguida, tratá-lo por 15 min com um limpador ultra-sônico. Retire a folha de ti, enxague 3-5x com água deionizada e coloque-a num cadinho de 50 mL.
   10. Coloque o cadinho em um forno a 60 ° c por 12 h para deixar a folha seca.
   11. Calcine a folha do TiO₂ em uma fornalha da mufla o ° c 400 para 2 h com uma taxa de aquecimento de 2 ° c/min.

2. testes catalíticos eanálise de P roduto

1. Testes catalíticos concentração de luz
   1. Limpe o reator em forma de cilindro inoxidável (diâmetro interno = 5,5 cm, volume = 100 mL) com água deionizada, em seguida, seque-o em um forno a 60 ° c por 10 min, para garantir nenhuma interferência de outras fontes de carbono.
   2. Tire o reator do forno, adicione 2 mL H₂o, um agitador, e um suporte do catalizador (uma prateleira pequena que prenda o catalizador no reator), e põr um vidro de quartzo com os poros (diâmetro = 2 cm) na parte inferior do suporte e o Catalyst do tio₂ (diâmetro = 1 cm) sobre o centro do vidro de quartzo. Coloque um termopar através de uma abertura na parede do reator na superfície do catalisador. Adicionar uma lente Fresnel na parte superior do suporte e selar o reator com uma janela de vidro de quartzo.
   3. Coloque o reator no aparelho eletromagnético. Verificar a estanqueidade do ar com azoto (N₂).
   4. Alimentar o CO₂ (99,99%) no reator através de um controlador de fluxo maciço (MFC) e lave o reator pelo menos 3x para mudar o gás no reator a CO₂.
   5. Coloque a lâmpada xe 2 cm diretamente acima do reator, abra a potência da lâmpada xe e ajuste sua corrente para 15 a, e ligue o interruptor de agitador magnético para iniciar a reação.
   6. Registre a mudança de temperatura na superfície do catalisador e no gás.
2. Análise de produto
   1. Analisar o produto a cada 1 h usando uma cromatografia gasosa (GC), que é equipado com um detector de chama ionizado (FID) e uma coluna capilar (ver tabela de materiais) para a separação de c₁-c₆ hidrocarbonetos.
   2. Calcule o número de produtos pelo método de linha padrão externo. Antes de quantificar o produto, construa uma curva padrão de metano (CH₄).
3. Testes catalíticos a concentração de luz com pré-tratamento
   Nota: este procedimento é similar a 2,1, com as diferenças anotadas.
   1. Reator de lavagem como na etapa 2.1.1.
   2. Monte O reator como na etapa 2.1.2, exceto sem adicionar H₂O.
   3. Verifique a tensão do ar como no passo 2.1.3.
   4. Alimente o gás do pré-tratamento (tal como o ar, o N₂ e o H₂o) no reator através de um MFC e troque o gás três vezes na sucessão para fazer ao reator o gás puro do pré-tratamento.
   5. Ajuste a lâmpada como no passo 2.1.5.
   6. Mantenha o catalisador luz (10 proporção de concentração) de iluminação para 1 h na atmosfera do ar, em seguida, desligue a lâmpada xe e agitador magnético para terminar o pré-tratamento.
   7. Alimentar o CO₂ (99,99%) no reator como na etapa 2.1.4.
   8. Injete 2 mL H₂o no reator a partir da abertura da parede. Abra a lâmpada xe e o poder do agitador magnético para iniciar a reação como etapa 2.1.5.
   9. Registre a alteração de temperatura como na etapa 2.1.6.

Resultados

O sistema original do reator photocatalítico contem principalmente dois componentes, uma lâmpada de Xe e um reator inoxidável do cilindro. Para o sistema de reator de luz concentrada, adicionamos uma lente Fresnel e um suporte de catalisador, como mostrado na Figura 1. A lente de Fresnel é usada para concentrar a luz em uma área menor. Como a luz foi concentrada, o catalisador deve ser colocado em uma área iluminada; Conseqüentemente, o catalizador é ...

Discussão

Concentrar a luz reduz a área de incidente claro e exige o uso de um catalizador em forma de disco ou de um reator so-called da fixo-cama para prender o catalizador. Desde que a fonte luminosa é geralmente uma lâmpada redondo-dada forma, a forma do catalizador deve igualmente ser redonda. Para obter um disco redondo, é possível pressionar o pó em um disco por comprimidos ou para mudar a folha metálica em um óxido por anodização. O método da anodização usa a eletricidade para oxidar o metal a um semicondutor ...

Materiais

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.