光熱催化CO?加氫體系構(gòu)建新展望-葉金花&李亞光

時(shí)間：2023-08-29作者：北京泊菲萊科技有限公司瀏覽：28

河北大學(xué)葉金花教授和李亞光副研究員團(tuán)隊(duì)2月在《ACS Nano》期刊發(fā)表關(guān)于光熱催化CO?還原的前瞻性評(píng)述一文。文章描述了幾種重要的納米材料設(shè)計(jì)策略，包含增強(qiáng)光吸收，減少熱能損耗等，以提高太陽(yáng)能的吸收和利用率，并闡述了光熱催化CO?加氫的新進(jìn)展，同時(shí)對(duì)光熱催化CO?應(yīng)用所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)提出重要看法。




文章簡(jiǎn)要

與光催化或者熱催化相比，光熱催化CO?加氫具有其它的優(yōu)勢(shì)：

（1）高的太陽(yáng)光吸收率優(yōu)勢(shì)。光熱催化劑是窄帶隙或零帶隙材料，可以吸收紫外光、可見光和紅外光，達(dá)到近**的太陽(yáng)光吸收，提高了光的利用率；

（2）**高的CO?轉(zhuǎn)化率優(yōu)勢(shì)。目前好的光催化CO?轉(zhuǎn)化速率限于 1mmol·g^-1·h^-1[1]，而光熱催化CO?轉(zhuǎn)化速率**過100 mmol·g^-1·h^-1[2]。




文中提到光熱催化包括兩種模式：熱輔助光催化模式和光輔助熱催化模式。

●  在熱輔助光催化模式下，熱能來自于光的部分轉(zhuǎn)化或外部輔助加熱，使得光催化過程具有較低的活化能壘和增強(qiáng)的載流子/質(zhì)量遷移率。

●  在光輔助熱催化中，反應(yīng)主要由熱能驅(qū)動(dòng)，熱能來源于太陽(yáng)光的光熱轉(zhuǎn)換。

 

為實(shí)現(xiàn)效率較高的的光熱催化CO?加氫轉(zhuǎn)化，需要強(qiáng)的寬帶太陽(yáng)能吸收、有效的光熱轉(zhuǎn)換、蓄熱能力和高催化活性之間協(xié)同作用。光熱催化CO?加氫過程中納米結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)策略對(duì)于構(gòu)建光熱裝置、設(shè)計(jì)制備催化劑及獲得好的光熱CO?加氫性能至關(guān)重要。




文章重點(diǎn)綜述了三種熱輔助光催化過程中納米催化材料的設(shè)計(jì)策略：

1、增強(qiáng)太陽(yáng)光收集的納米材料表面工程；

2、降低熱傳導(dǎo)的納米結(jié)構(gòu)隔熱材料；

3、阻熱的納米層。

 

文章亮點(diǎn)

本文值得一提的是提出了對(duì)未來光熱催化體系構(gòu)建的觀點(diǎn)及展望：

1、探索提高光熱轉(zhuǎn)換效率的策略：使用**薄膜材料可提高材料的太陽(yáng)照射溫度，同時(shí)需要大面積薄膜以提高太陽(yáng)能利用率。由此可見，設(shè)計(jì)大面積**薄催化材料以及與之匹配的光反應(yīng)器是提升光熱催化性能的重要手段；

2、探索熱電子產(chǎn)生的物理原理和弛豫機(jī)制，以提高CO?活化效率；

3、開發(fā)儲(chǔ)能裝置，實(shí)現(xiàn)光照條件變化下穩(wěn)定長(zhǎng)久的自驅(qū)動(dòng)光熱催化CO?還原；

4、開發(fā)微正壓或常壓下光熱催化CO?加氫生成高碳產(chǎn)物的體系；

5、探索低成本氫能制備策略；

6、探索效率較高的穩(wěn)定的逆水氣轉(zhuǎn)換（RWGS）催化劑，以擴(kuò)大RWGS反應(yīng)的規(guī)模應(yīng)用。

作者對(duì)光熱催化裝置的設(shè)計(jì)也提出了自己的構(gòu)想。作者認(rèn)為壓力、光照以及溫度是光熱催化裝置設(shè)計(jì)需要考慮的重要要素。

 

● 壓力

由于目前CO?加氫還原的產(chǎn)物多集中于低碳產(chǎn)物，想要獲得高碳產(chǎn)物需要對(duì)反應(yīng)體系進(jìn)行加壓。為提高CO?轉(zhuǎn)化效率的提高和高附加值高碳產(chǎn)物，一款可以持續(xù)提供穩(wěn)定高壓反應(yīng)氣的光熱催化反應(yīng)器很重要。

PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評(píng)價(jià)裝置可提供高溫高壓反應(yīng)條件，目前有五個(gè)版本可供選擇：




● 光照

由于光照強(qiáng)度、光照面積和催化劑負(fù)載量對(duì)反應(yīng)結(jié)果有較大影響，因此使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)器對(duì)這些反應(yīng)條件變量進(jìn)行標(biāo)記可提高不同文獻(xiàn)之間數(shù)據(jù)的可比性，從而較好地篩選出具潛力的光熱催化材料。

PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評(píng)價(jià)裝置采用石英導(dǎo)光柱和石英反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，在確保光輸入效率的同時(shí)，有效地提高催化劑的受光面積，并通過仿真模擬計(jì)算固定石英導(dǎo)光柱與催化劑的相對(duì)位置，以獲得大的光照效率 。




環(huán)照式反應(yīng)器還嚴(yán)格將催化劑床層的厚度控制在3 mm，這樣既能確保催化劑的有效光照，增大催化劑的受光面積，提高催化劑對(duì)光的利用率，又可以根據(jù)裝填高度計(jì)算出催化劑的受光面積以及裝填量，保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

 

● 溫度

在光可以被完全吸收的前提下，減少熱能損失是光熱催化中提高光利用效率的關(guān)鍵途徑。

PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評(píng)價(jià)裝置的預(yù)熱-伴熱模塊能夠有效減小催化劑與反應(yīng)體系之間的溫度梯度，以此降低光熱催化反應(yīng)中的熱能損失，同時(shí)具備雙熱電偶測(cè)溫裝置，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器外部溫度和反應(yīng)催化劑表面溫度，掌握反應(yīng)過程中的溫度變化動(dòng)態(tài)。

 

關(guān)于文獻(xiàn)部分解析僅為筆者根據(jù)參考文獻(xiàn)進(jìn)行翻譯和匯總，筆者水平有限，如有錯(cuò)誤，請(qǐng)大家指正！

 

文章信息

Cuncai Lv, Yaguang Li*, Jinhua Ye*, et al. Nanostructured Materials for Photothermal Carbon Dioxide Hydrogenation: Regulating Solar Utilization and Catalytic Performance [J]. ACS Nano, 2023, 17(3): 1725-1738.




參考文獻(xiàn)

[1] Meng X, Zuo G, Zong P, et al. A rapidly room-temperature-synthesized Cd/ZnS:Cu nanocrystal photocatalyst for highly efficient solar-light-powered CO? reduction [J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2018, 237: 68-73.

[2] Chen Y, Zhang Y, Fan G, et al. Cooperative catalysis coupling photo-/photothermal effect to drive Sabatier reaction with unprecedented conversion and selectivity [J]. Joule, 2021, 5(12): 3235-3251.

 

源自：//www-perfectlight-cn/news/467.html


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