光熱催化CO?加氫體系構建新展望-葉金花&李亞光

時間：2023-08-29作者：北京泊菲萊科技有限公司瀏覽：35

河北大學葉金花教授和李亞光副研究員團隊2月在《ACS Nano》期刊發(fā)表關于光熱催化CO?還原的前瞻性評述一文。文章描述了幾種重要的納米材料設計策略，包含增強光吸收，減少熱能損耗等，以提高太陽能的吸收和利用率，并闡述了光熱催化CO?加氫的新進展，同時對光熱催化CO?應用所面臨的機遇與挑戰(zhàn)提出重要看法。




文章簡要

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：

（1）高的太陽光吸收率優(yōu)勢。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，達到近**的太陽光吸收，提高了光的利用率；

（2）**高的CO?轉(zhuǎn)化率優(yōu)勢。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的載流子/質(zhì)量遷移率。

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

 

為實現(xiàn)效率較高的的光熱催化CO?加氫轉(zhuǎn)化，需要強的寬帶太陽能吸收、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?加氫過程中納米結構材料的設計策略對于構建光熱裝置、設計制備催化劑及獲得好的光熱CO?加氫性能至關重要。




文章重點綜述了三種熱輔助光催化過程中納米催化材料的設計策略：

1、增強太陽光收集的納米材料表面工程；

2、降低熱傳導的納米結構隔熱材料；

3、阻熱的納米層。

 

文章亮點

本文值得一提的是提出了對未來光熱催化體系構建的觀點及展望：

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照射溫度，同時需要大面積薄膜以提高太陽能利用率。由此可見，設計大面積**薄催化材料以及與之匹配的光反應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制，以提高CO?活化效率；

3、開發(fā)儲能裝置，實現(xiàn)光照條件變化下穩(wěn)定長久的自驅(qū)動光熱催化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，以擴大RWGS反應的規(guī)模應用。

作者對光熱催化裝置的設計也提出了自己的構想。作者認為壓力、光照以及溫度是光熱催化裝置設計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)物需要對反應體系進行加壓。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)定高壓反應氣的光熱催化反應器很重要。

PLR-RP系列光熱催化反應評價裝置可提供高溫高壓反應條件，目前有五個版本可供選擇：




● 光照

由于光照強度、光照面積和催化劑負載量對反應結果有較大影響，因此使用一個標準的反應器對這些反應條件變量進行標記可提高不同文獻之間數(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系列光熱催化反應評價裝置采用石英導光柱和石英反應器結構，在確保光輸入效率的同時，有效地提高催化劑的受光面積，并通過仿真模擬計算固定石英導光柱與催化劑的相對位置，以獲得大的光照效率 。




環(huán)照式反應器還嚴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，提高催化劑對光的利用率，又可以根據(jù)裝填高度計算出催化劑的受光面積以及裝填量，保證實驗的可重復性。

 

● 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鍵途徑。

PLR-RP系列光熱催化反應評價裝置的預熱-伴熱模塊能夠有效減小催化劑與反應體系之間的溫度梯度，以此降低光熱催化反應中的熱能損失，同時具備雙熱電偶測溫裝置，可實時監(jiān)測反應器外部溫度和反應催化劑表面溫度，掌握反應過程中的溫度變化動態(tài)。

 

關于文獻部分解析僅為筆者根據(jù)參考文獻進行翻譯和匯總，筆者水平有限，如有錯誤，請大家指正！

 

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

[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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