CO2 Photoreduction к CH4 Производительность под концентрацией солнечного света

Резюме

Мы представляем протокол для повышения производительности CO₂ photoreduction до CH₄ за счет повышения интенсивности света инцидента с помощью концентрации солнечной энергии технологии.

Аннотация

Мы демонстрируем метод повышения фотоreduction CO 2. Как движущей силой фотокаталитическая реакция от солнечного света, основная идея заключается в использовании технологии концентрации, чтобы поднять интенсивность инцидента солнечного света. Концентрация большого света на небольшой площади не только не только увеличит интенсивность света, но и уменьшает количество катализатора, а также объем реактора и повышает температуру поверхности. Концентрация света может быть реализована различными устройствами. В этой рукописи она реализуется с помощью объектива Френеля. Свет проникает в объектив и концентрируется на дискообразном катализаторе. Результаты показывают, что и скорость реакции, и общая доходность эффективно увеличиваются. Метод может быть применен к большинству катализаторов фотоreduction CO 2, а также к аналогичным реакциям с низкой скоростью реакции при естественном освещении.

Введение

Использование ископаемых видов топлива сопровождается большим количеством выбросов CO 2, что в значительной степени способствует глобальному потеплению. Улавливание, хранение и конверсия CO₂ необходимы для снижения содержания CO₂ в атмосфере^1. Фотосокращение CO₂ к углеводородамможет уменьшить CO 2, преобразовать CO₂ в топливо и сэкономить солнечную энергию. Тем не менее, CO₂ является чрезвычайно стабильной молекулой. Его связь СЗО обладает более высокой энергией диссоциации (около 750 кДж/моль)². Это означает, что CO₂ очень трудно быть активированы и преобразованы, и только коротковолновые огни с высокой энергией может быть функциональным во время процесса. Таким образом, CO₂ фотоreduction исследования страдают от низкой эффективности преобразования и скорость реакции в настоящее время. Большинство сообщили CH₄ урожайность ставки только на несколько qmol'g_ката^-1ч^-1 уровни на Катализатор TiO₂ ^3,4. Проектирование и изготовление фотокаталитических систем с высокой эффективностью конверсии и скоростью реакции для сокращения выбросов CO₂ остаются сложной задачей.

Одной из популярных областей исследований co₂ photoreduction катализаторов является расширение доступного светового диапазона до видимого спектра и повышения эффективности использования этих длин волн^5,6. Вместо этого, в этой рукописи, мы пытаемся увеличить скорость реакции за счет повышения интенсивности света. Поскольку движущей силой фотокаталитическая реакция является солнечный свет, основная идея заключается в использовании технологии концентрации для повышения интенсивности солнечного света и, следовательно, увеличения скорости реакции. Это похоже на термокаталитический процесс, где скорость реакции может быть увеличена за счет повышения температуры. Конечно, эффект температуры не может быть увеличен бесконечно, и также с интенсивностью света; основной целью этого исследования является поиск подходящей интенсивности света или соотношения концентрации.

Это не первый эксперимент, в ходе которого используется технология концентрации. В самом деле, он был широко использован в концентрации солнечной энергии и очистки сточных вод^7,8. Биоматериалы, такие как буковые древесные опилки могут быть pyrolyzed в солнечном реакторе^9,10. Некоторые предыдущие доклады упоминали метод для CO₂ photoreduction^11,12,13. Один образец показал 50% приращения в выходе продукта, когда интенсивность света была удвоена¹⁴. Наша группа обнаружила, что концентрация света может повысить коэффициент урожайности CH₄ с увеличением интенсивности до 12 раз. Кроме того, предварительная обработка катализатора перед реакцией путем концентрации света может еще больше увеличить коэффициент урожайности CH₄ ^15. Здесь мы подробно демонстрируем экспериментальную систему и метод.

протокол

Внимание: Пожалуйста, проконсультируйтесь со всеми соответствующими листами данных о безопасности материалов (MSDS) перед эксплуатацией. Некоторые химические вещества легковоспламеняющиеся и сильно коррозионные. Концентрация света может вызвать вредную интенсивность света и повышение температуры. Пожалуйста, используйте все соответствующие устройства безопасности, такие как средства индивидуальной защиты (защитные очки, перчатки, лабораторные пальто, брюки и т.д.).

1. Подготовка катализатора

1. Подготовка TiO₂ по анодизации
   Примечание: Анодизация использует металлическую фольгу и фольгу Pt в качестве двух контр-электродов. Два электрода помещаются в электролит. Используя электричество, металлическая фольга на месте анода окисляется.
   1. Растворите 0,3 г NH₄F и 2 мл H₂O в 100 мл гликоля в 200-мл стакан с мешалкой для формирования электролита. Положите стакан с электролитом в водяную ванну 45 градусов по Цельсию.
   2. Обрезать фольгу Ti (размер 50 x 250 мм) ножницами до 25 х 25 мм.
   3. Польская поверхность фольги Ti с 7000-сетной наждачной бумагой для удаления поверхностных примесей.
   4. Погрузите фольгу Ti в объемную колбу, содержащую 15 мл этанола, затем колбу с 15 мл ацетона, затем обработайте ее в течение 15 минут ультразвуковым очистителем. Выняйте фольгу Ti, промыть ее 3 - 5x деионизированной водой и поместите ее в объемную колбу, содержащую 20 мл этанола.
   5. Растворите 10 мл H₂O, 5 мл HNO₃, 3 мл H₂O₂, 1 мл 18% Wt (NH₂)₂CO, и 1 мл 18% WT NH₄F в 100-мл стакан для формирования полировки раствора.
   6. Вынуть фольгу Ти из этаноловой колбы, промыть ее в 3 x деионизированной водой и положить в полировку на 2 - 3 мин. Удалите фольгу Ти и промойте ее деионированной водой в течение 3 раз.
   7. Используйте анодный клип аллигатора, чтобы держать предварительно обработанную фольгу Ti и другой клип для удержания фольги Pt (25 x 25 мм). Поместите две фольги лицом к лицу в электролит на расстоянии 2 см друг от друга. Включите прямой ток (DC) стабилизировал источник питания тока, настройте напряжение до 50 В и электролиз в течение 30 мин.
   8. После анодизации закончил, закрыть власть и вывезти TiO₂ фольги
   9. Погрузите фольгу Ti в объемную колбу, содержащую 15 мл этанола, затем колбу с 15 мл ацетона, затем обработайте ее в течение 15 минут ультразвуковым очистителем. Выняйте фольгу Ti, промойте ее 3 - 5x деионизированной водой и поместите в тигель 50 мл.
   10. Положите тигель в духовку при температуре 60 градусов по Цельсию в течение 12 ч, чтобы фольга высохла.
   11. Calcine TiO₂ фольги в муфте печь под 400 градусов по Цельсию в течение 2 ч с скоростью нагрева 2 C/min.

2. Каталиттические тесты ианализ продуктов P

1. Каталитические тесты под концентрирующимся светом
   1. Очистите реактор в форме нержавеющей цилиндра (внутренний диаметр 5,5 см, объем 100 мл) деионизированной водой, а затем высушите его в духовке при температуре 60 градусов по Цельсию в течение 10 минут, чтобы обеспечить отсутствие помех от других источников углерода.
   2. Вынуть реактор из духовки, добавить 2 мл Н₂O, мешалку и держатель катализатора (небольшая полка, которая держит катализатор в реакторе), и положить кварцевое стекло с порами (диаметр ю 2 см) на дно держателя и Катализатор TiO₂ (диаметр 1 см) на центр кварцевого стекла. Положите термопару через отверстие на стенке реактора на поверхности катализатора. Добавьте линзу Френеля на верхнюю часть держателя и загерметизуйте реактор кварцевое стекло.
   3. Поставьте реактор на электромагнитный аппарат. Проверьте герметичность с азотом (N₂).
   4. Кормите CO₂ (99.99%) в реактор через контроллер потока массы (MFC) и промыть реактор по крайней мере 3x, чтобы изменить газ в реакторе на CO₂.
   5. Поместите лампу Xe на 2 см прямо над реактором, откройте мощность лампы Xe и отрегулируйте ее ток до 15 А, и включите магнитный переключатель мешалки, чтобы начать реакцию.
   6. Запишите изменение температуры на поверхности катализатора и в газе.
2. Анализ продукции
   1. Проанализируйте продукт каждый 1 ч с помощью газовой хроматографии (ГК), которая оснащена огненно-ионизированным детектором (FID) и капиллярной колонкой (см. Таблицаматериалов) для разделения C₁-C₆ углеводородов.
   2. Рассчитайте количество продуктов методом внешней стандартной линии. Перед количественной оценкой продукта постройте стандартную кривую метана (CH_4).
3. Каталитические тесты при концентрации света с предварительной обработкой
   Примечание: Эта процедура аналогична 2.1, с отмеченными различиями.
   1. Реактор вымойте как в шаге 2.1.1.
   2. Соберите реактор как в шаге 2.1.2, за исключением без добавления H₂O.
   3. Проверьте герметичность воздуха как в шаге 2.1.3.
   4. Кормите предочистуемый газ (например, воздух, N₂ и H₂O) в реактор через МФК и обменивайгаз три раза подряд, чтобы сделать реактор чистым дообработкой газа.
   5. Отрегулируйте лампу как в шаге 2.1.5.
   6. Держите катализатор под светом (10 концентрационный коэффициент) освещение в течение 1 ч в воздушной атмосфере, а затем выключите лампу Xe и магнитный мешалку, чтобы закончить предварительную обработку.
   7. Кормите CO₂ (99.99%) в реактор, как в шаге 2.1.4.
   8. Впрысните 2 мл Н₂O в реактор от открытия стены. Откройте лампу Xe и магнитный мешалку власти, чтобы начать реакцию как шаг 2.1.5.
   9. Запишите изменение температуры как в шаге 2.1.6.

Результаты

Оригинальная система фотокаталитического реактора в основном состоит из двух компонентов: лампы Xe и реактора из нержавеющей цилиндрической системы. Для концентрации системы светового реактора мы добавили объектив Френеля и держатель катализатора, как показано на р?...

Обсуждение

Концентрация света уменьшает область световых происшествий и требует использования дискообразного катализатора или так называемого реактора с фиксированной кроватью для удержания катализатора. Так как источник света, как правило, круглая форма лампы, форма катализатора также должн?...

Материалы

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.