Name: co2 photoreduction to ch4 performance under concentrating solar light
Uploaded: 2019-06-12T12:30:00
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Questo lavoro è supportato dalla Natural Science Foundation of China (n. 21506194, 21676255).

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. Pre...

<ol>
	<li>De-Richter, R. K., Ming, T., Caillol, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fighting+global+warming+by+photocatalytic+reduction+of+CO2,+using+giant+photocatalytic+reactors.">Fighting global warming by photocatalytic reduction of CO2, using giant photocatalytic reactors.</a> Renewable &amp; Sustainable Energy Reviews. 19 (1), 82-106 (2013).</li><li>Fang, Y., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photocatalytic+CO2+conversion+by+polymeric+carbon+nitrides.">Photocatalytic CO2 conversion by polymeric carbon nitrides.</a> Chemical Communications. 54 (45), 5674-5687 (2018).</li><li>Kondratenko, E. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Status+and+perspectives+of+CO2+conversion+into+fuels+and+chemicals+by+catalytic,+photocatalytic+and+electrocatalytic+processes.">Status and perspectives of CO2 conversion into fuels and chemicals by catalytic, photocatalytic and electrocatalytic processes.</a> Energy &amp; Environmental Science. 6 (11), 3112-3135 (2013).</li><li>Izumi, Y., Jin, F., He, L. -. N., Hu, Y. 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K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photocatalytic+Reduction+of+CO2+on+TiO2+and+Other+Semiconductors.">Photocatalytic Reduction of CO2 on TiO2 and Other Semiconductors.</a> Angewandte Chemie International Edition. 52 (29), 7372-7408 (2013).</li><li>Weinstein, L. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Concentrating+Solar+Power.">Concentrating Solar Power.</a> Chemical Reviews. 115 (23), 12797-12838 (2015).</li><li>Herrmann, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TiO2+-based+solar+photocatalytic+detoxification+of+water+containing+organic+pollutants.+Case+studies+of+2,+4-dichlorophenoxyaceticacid+(2,+4+-+D)+and+of+benzofuran.">TiO2 -based solar photocatalytic detoxification of water containing organic pollutants. Case studies of 2, 4-dichlorophenoxyaceticacid (2, 4 - D) and of benzofuran.</a> Applied Catalysis B Environmental. 17 (1-2), 15-23 (1998).</li><li>Zeng, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+effects+of+initial+water+content+and+heating+parameters+on+solar+pyrolysis+of+beech+wood.">Combined effects of initial water content and heating parameters on solar pyrolysis of beech wood.</a> Energy. 125, 552-561 (2017).</li><li>Zeng, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+solar+fuels+obtained+from+beech+wood+solar+pyrolysis.">Characterization of solar fuels obtained from beech wood solar pyrolysis.</a> Fuel. 188, 285-293 (2017).</li><li>Nguyen, T. V., Wu, J. C. S., Chiou, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoreduction+of+CO+over+Ruthenium+dye-sensitized+TiO-based+catalysts+under+concentrated+natural+sunlight.">Photoreduction of CO over Ruthenium dye-sensitized TiO-based catalysts under concentrated natural sunlight.</a> Catalysis Communications. 9 (10), 2073-2076 (2008).</li><li>Guan, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoreduction+of+carbon+dioxide+with+water+over+K2Ti6O13,+photocatalyst+combined+with+Cu/ZnO+catalyst+under+concentrated+sunlight.">Photoreduction of carbon dioxide with water over K2Ti6O13, photocatalyst combined with Cu/ZnO catalyst under concentrated sunlight.</a> Applied Catalysis A: General. 249 (1), 11-18 (2003).</li><li>Han, S., Chen, Y. F., Abanades, S., Zhang, Z. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+photoreduction+of+CO2+with+water+to+CH4+in+a+novel+concentrated+solar+reactor.">Improving photoreduction of CO2 with water to CH4 in a novel concentrated solar reactor.</a> Journal of Energy Chemistry. 26 (4), 743-749 (2017).</li><li>Roy, S. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+solar+fuels:+photocatalytic+conversion+of+carbon+dioxide+to+hydrocarbons.">Toward solar fuels: photocatalytic conversion of carbon dioxide to hydrocarbons.</a> ACS Nano. 4 (3), 1259-1278 (2010).</li><li>Li, D., Chen, Y. F., Abanades, S., Zhang, Z. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+activity+of+TiO2+by+concentrating+light+for+photoreduction+of+CO2+with+H2O+to+CH4.">Enhanced activity of TiO2 by concentrating light for photoreduction of CO2 with H2O to CH4.</a> Catalysis Communications. 113, 6-9 (2018).</li></ol>

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...

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 diCO 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 dicata-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'onda5,6. 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 reflue7,8. Biomateriali come la segatura a legno di faggio possono essere piacizzati in un reattore solare9,10. Alcuni rapporti precedenti hanno menzionato il metodo per la fotoriduzioneco2 11,12,13. Un campione ha mostrato un incremento del 50% della resa del prodotto quando l'intensità della luce è stata raddoppiatadi 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.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ti foil, 99.99%</td>
			<td>Hebei Metal Technology Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pt foil, 99.99%</td>
			<td>Tianjin Aida Henghao Technology Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium fluoride, 98%</td>
			<td>Aladdin</td>
			<td>A111758</td>
			<td>Humidity sensitive</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glycol, &#62;99.9%</td>
			<td>Aladdin</td>
			<td>E103323</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anhydrous ethanol,&#62;99.9%</td>
			<td>Aladdin</td>
			<td>E111977</td>
			<td>Flammable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone, &#62;99.5%</td>
			<td>Hangzhou Shuanglin Chemical Co., Ltd.</td>
			<td>200-662-2</td>
			<td>Irritating smell</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitric acid, 65.0%-68.0%</td>
			<td>Hangzhou Shuanglin Chemical Co., Ltd.</td>
			<td>231-714-2</td>
			<td>Humidity sensitive</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen peroxide, 30 wt. % in H2O</td>
			<td>Aladdin</td>
			<td>H112515</td>
			<td>Strong oxidative</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Urea, 99%</td>
			<td>Aladdin</td>
			<td>U111897</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>De-ionized water, 99.00%</td>
			<td>Laboratory made</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xe lamp, CELHXF300/CELHXUV300</td>
			<td>Beijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless cylinder reactor, CEL-GPPC</td>
			<td>Beijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fresnel lens, MYlens</td>
			<td>Meiying Technology Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>7000 mesh sandpaper</td>
			<td>Zibo Taichuan Abrasives Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasonic cleaner, SK2210HP</td>
			<td>Shanghai Kedao Ultrasonic Instrument Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermostatical water bath, DF-101S</td>
			<td>Boncie Instrument Technology Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alligator clip</td>
			<td>Guangzhou Rongyu Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DC constant voltage source, DY-150V 2A</td>
			<td>Shanghai Anding Electric Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Muffle furnace, KSL-1200X</td>
			<td>Hefei Kejing Materials Technolgy Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quartz glass</td>
			<td>Lianyungang Weida Quartz Products Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermocouples, WRNK-191K</td>
			<td>Feiyang Electric Accessories Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electronmagnetic stirrer, 85-2</td>
			<td>Shanghai Zhiwei Electric Appliance Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum pump,SHB-IIIA</td>
			<td>Henan Province Taikang science and education equipment factory</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gas Chromatograph, GC2014</td>
			<td>SHIMAPZU</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HT-PLOT Q capillary column</td>
			<td>Hychrom</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical power meter,CEL-NP2000</td>
			<td>Beijing Zhongjiao Jinyuan Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electronic scale, JJ124BC</td>
			<td>Shanghai Jingtian Electronic Instrument Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

co2 photoreduction to ch4 performance under concentrating solar light

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.

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...

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CO2 Photoreduction to CH4 Performance Under Concentrating Solar Light

CO2 Fotoriduzione a CH4 Performance Under Concentrateing Solar Light

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.

We demonstrate a method for the enhancement of CO2 photoreduction. As the driving force of a photocatalytic reaction is from solar light, the basic idea ...

Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della fotosintesi artificiale, come la fotoriduzione dell'anidride carbonica al metano. La tecnologia di concentrazione può non solo aumentare l'intensità della luce, ma anche ridurre la quantità di catalizzatore e il volume del reattore, aumentando al contempo la temperatura di reazione, aumentando così la velocità di reazione di fotoriduzione. Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sulla riduzione fotocatalitica dell'anidride carbonica, può anche essere applicato ad altri sistemi come la concentrazione dell'energia solare e il trattamento delle acque reflue.Per preparare il biossido di titanio per anodizzazione sciogliere 0,3 grammi di fluoruro di ammonio e due millilitri di acqua in 100 millilitri di glicole in un bicchiere da 200 millilitri con un agitatore per formare l'elettrolita. Posizionare il becher con l'elettrolita in un bagno d'acqua di 45 gradi Celsius. Tagliare il foglio di titanio con forbici a 25 per 25 millimetri, quindi lucidare la superficie del foglio di titanio con una carta vetrata a rete 7000 per rimuovere le impurità superficiali.Immergere il foglio di titanio in un pallone volumetrico contenente 15 millilitri di etanolo e quindi un pallone con 15 millilitri di acetone. Ora tratta il foglio per 15 minuti con un pulitore ad ultrasuoni. Eseminare il foglio di titanio, sciacquarlo da tre a cinque volte con l'acqua ionizzata e posizionare in un pallone volumetrico contenente 20 millilitri di etanolo.Preparare la soluzione di lucidatura in un becher da 100 millilitri come descritto nel protocollo di testo. Ora rimuovere il foglio di titanio dal pallone di etanolo, sciacquarlo tre volte con l'acqua ionizzata e metterlo nella soluzione di lucidatura per due o te minuti. Rimuovere il foglio di titanio e lavarlo con l'acqua ionizzata altre tre volte.Usa una clip di alligatore anoide per tenere il foglio di titanio pretrattato e una clip catodica per contenere un foglio di platino. Posizionare i due fogli faccia a faccia nell'elettrolita a una distanza di due centimetri l'uno dall'altro. Accendere la fonte di corrente stabilizzata a corrente diretta, sintonizzare la tensione a 50 volt ed elettrolizzare per 30 minuti.Dopo che l'anodizzazione ha terminato, spegnere l'alimentazione ed eseminare il foglio di biossido di titanio. Immergere il foglio di titanio in un pallone volumetrico contenente 15 millilitri di etanolo e quindi trasferirlo in un pallone con 15 millilitri di acetone. Trattare il foglio di titanio per 15 minuti con un pulitore ad ultrasuoni.Dopo il trattamento, sciacquare il foglio di titanio da tre a cinque volte con l'acqua ionizzata e posizionare in crogiolo da 15 millilitri. Mettere il crogiolo in un forno a 60 gradi Celsius per 12 ore per lasciare asciugare il foglio. Una volta asciutto, calcina il foglio di biossido di titanio in un forno a muffola sotto i 400 gradi Celsius per due ore con una velocità di riscaldamento di due gradi Celsius al minuto.Per eseguire test catalitici sotto la luce di concentrazione, pulire il reattore a forma di cilindro inossidabile con l'acqua ionizzata. Quindi asciugarlo in forno a 60 gradi Celsius per 10 minuti per garantire nessuna interferenza da altre fonti di carbonio. Dopo l'essiccazione nel forno, aggiungere due millilitri d'acqua, un agitatore e un supporto catalizzatore al reattore.Posizionare un vetro al quarzo con versamenti sul fondo del supporto e posizionare i catalizzatori di biossido di titanio al centro del vetro al quarzo. Ora metti il foro della tazza termica attraverso un'apertura nella parete del reattore e sulla superficie del catalizzatore. Aggiungere una lente Fresno sulla parte superiore del supporto e sigillare il reattore con una finestra di vetro al quarzo.Posizionare il reattore sull'apparato elettromagnetico e controllare la tenuta all'aria con azoto. Alimentare l'anidride carbonica nel reattore attraverso un regolatore di flusso di massa e sciacquare il reattore almeno tre volte per cambiare il gas nel reattore in anidride carbonica. Posizionare la lampada allo xeno di due centimetri direttamente sopra il reattore.Accendere la lampada allo xeno e regolarla a 15 ampere, quindi accendere l'interruttore degli agitatori magnetici per avviare la reazione. Registrare il cambiamento di temperatura sulla superficie del catalizzatore e nel gas. Analizzare il prodotto ogni ora utilizzando la gascromatografia dotata del rivelatore ionizzato a fiamma e di una colonna capillare per la separazione degli idrocarburi con uno o sei carboni.Calcolare il numero di prodotti in base al metodo della riga standard esterna. Prima di quantificare il prodotto costruire una curva standard di metano. Qui è mostrato un dispositivo per concentrare la riduzione fotocatalitica dell'anidride carbonica.La caratterizzazione XRD e SEM del catalizzatore ha mostrato che il catalizzatore preparato era un tipico nanotubo di ossido di titanio. Qui è mostrato il catalizzatore sotto la luce naturale. Sotto la luce di concentrazione il catalizzatore mostra un po 'di splendente.Qui viene mostrato il modello di diffrazione dei raggi X, dopo aver concentrato l'irradiazione della luce, per rivelare i cambiamenti della struttura cristallina. La cristallinità è chiaramente migliorata dopo la reazione sotto la luce di concentrazione. La resa del metano viene misurata sotto la luce naturale e sotto concentrazione.Le velocità di reazione del metano su diversi catalizzatori sono state significativamente migliorate nelle condizioni di concentrazione. Il pretrattamento del catalizzatore con gas adeguato aumenterebbe ulteriormente il tasso di produzione del metano. Seguendo questa procedura, altri metodi come la fotocatalisi concentrata sotto la luce solare reale possono essere eseguiti al fine di rispondere a domande di addizione come la scissione fotocatalitica dell'acqua e la degradazione di composti organici volatili sotto la luce solare reale.Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha spianato la strada ai ricercatori nel campo fotocatalitico come migliorare il comportamento di fotoriduzione dell'anidride carbonica in un sistema fotochimico. Non dimenticare che lavorare con la concentrazione della luce può essere estremamente pericoloso e precauzioni come googles dovrebbero sempre essere prese durante l'esecuzione di questa procedura.

Research

JoVE Journal

Engineering

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