CO2 Photoreduction zu CH4 Performance Under Concentrating Solar Light
Summary
Wir präsentieren ein Protokoll zur Verbesserung der Leistung der CO2-Photoreduktion auf CH4 durch Erhöhung der einfallenden Lichtintensität durch konzentrierte Solarenergietechnologie.
Abstract
Wir zeigen eine Methode zur Verbesserung der CO2-Photoreduktion. Da die treibende Kraft einer photokatalytischen Reaktion von Solarlicht ausgeht, ist die Grundidee, Die Konzentrationstechnologie zu nutzen, um die einfallende Sonnenlichtintensität zu erhöhen. Die Konzentration eines großflächig endenden Lichts auf einen kleinen Bereich kann nicht nur die Lichtintensität erhöhen, sondern auch die Katalysatormenge sowie das Reaktorvolumen reduzieren und die Oberflächentemperatur erhöhen. Die Konzentration des Lichts kann durch verschiedene Geräte realisiert werden. In diesem Manuskript wird es durch eine Fresnel-Linse realisiert. Das Licht dringt in die Linse ein und konzentriert sich auf einen scheibenförmigen Katalysator. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Reaktionsgeschwindigkeit als auch die Gesamtausbeute effizient erhöht werden. Das Verfahren kann auf die meisten CO2-Photoreduktionskatalysatoren sowie auf ähnliche Reaktionen mit geringer Reaktionsgeschwindigkeit bei natürlichem Licht angewendet werden.
Introduction
Die Nutzung fossiler Brennstoffe geht einher mit großen Mengen an CO2-Emissionen, die erheblich zur globalen Erwärmung beitragen. CO2-Abscheidung, -Speicherung und -Umwandlung sind unerlässlich, um den CO2-Gehalt in der Atmosphäre1zu reduzieren. Die Photoreduktion von CO2 auf Kohlenwasserstoffe kann CO2 reduzieren, CO2 in Brennstoffe umwandeln und Sonnenenergie sparen. CO2 ist jedoch ein extrem stabiles Molekül. Seine C=O-Bindung besitzt eine höhere Dissoziationsenergie (ca. 750 kJ/mol)2. Das bedeutet, dass CO2 sehr schwer zu aktivieren und zu transformieren ist und während des Prozesses nur Kurzwellenlampen mit hoher Energie funktional sein können. Daher leiden CO2-Photoreduktionsstudien derzeit unter niedrigen Umwandlungseffizienzen und Reaktionsraten. Die meisten gemeldeten CH4-Ausbeuteraten liegen nur bei mehreren Werten von 1 ,g-h-1 auf einem TiO 2-Katalysator3,4. Das Design und die Herstellung von photokatalytischen Systemen mit hoher Umwandlungseffizienz und Reaktionsgeschwindigkeit zur CO2-Reduktion bleiben eine Herausforderung.
Ein beliebtes Forschungsgebiet zu CO2-Photoreduktionskatalysatoren ist die Erweiterung des verfügbaren Lichtbandes auf das sichtbare Spektrum und die Steigerung der Nutzungseffizienz dieser Wellenlängen5,6. Stattdessen versuchen wir in diesem Manuskript, die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, indem wir die Lichtintensität erhöhen. Da die treibende Kraft einer photokatalytischen Reaktion Sonnenlicht ist, ist die Grundidee, die Konzentrationstechnologie zu nutzen, um die einfallende Sonnenlichtintensität zu erhöhen und damit die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Dies ähnelt einem thermokatalytischen Prozess, bei dem die Reaktionsgeschwindigkeit durch Erhöhung der Temperatur erhöht werden kann. Natürlich kann der Temperatureffekt nicht unendlich erhöht werden, ebenso wie mit der Lichtintensität; ein wichtiges Ziel dieser Forschung ist es, ein geeignetes Lichtintensitäts- oder Konzentrationsverhältnis zu finden.
Dies ist nicht das erste Experiment, das Konzentrationstechnologie verwendet. In der Tat, es ist weit verbreitet in der Konzentration von Solarstrom und Abwasserbehandlung7,8verwendet worden. Biomaterialien wie Buchenholzsägemehl können in einem Solarreaktor9,10pyrolysiert werden. Einige frühere Berichte haben die Methode zur CO2-Photoreduktion11,12,13erwähnt. Eine Probe zeigte eine 50%ige Steigerung der Produktausbeute, wenn die Lichtintensität verdoppelt wurde14. Unsere Gruppe hat herausgefunden, dass konzentriertes Licht die CH 4-Ausbeute mit einer bis zu 12-fachen Intensitätssteigerung erhöhen kann. Darüber hinaus kann die Vorbehandlung des Katalysators vor der Reaktion durch konzentrationsmittelliches Licht die CH 4-Ausbeute 15 weiter erhöhen. Hier zeigen wir das experimentelle System und die Methode im Detail.
Protocol
Representative Results
Discussion
Konzentriertes Licht reduziert den Lichteinfallbereich und erfordert die Verwendung eines scheibenförmigen Katalysators oder eines sogenannten Festbettreaktors, um den Katalysator zu halten. Da es sich bei der Lichtquelle in der Regel um eine runde Lampe handelt, sollte auch die Form des Katalysators rund sein. Um eine runde Scheibe zu erhalten, ist es möglich, das Pulver durch Tabletten in eine Scheibe zu pressen oder die Metallfolie durch Eloxierung in ein Oxid umzudrücken. Die Eloxierungsmethode verwendet Elektrizi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wird von der Natural Science Foundation of China (Nr. 21506194, 21676255) unterstützt.
Materials
| 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
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