光-電-熱-壓 多場協(xié)同CO2還原反應(yīng)
一般情況下，光催化CO2還原反應(yīng)在常溫、常壓條件下進(jìn)行[1, 2]。然而，由于CO2在水中溶解度較低，且氣態(tài)CO2難以與固體光催化劑相互接觸，會(huì)導(dǎo)致CO2的轉(zhuǎn)化效率仍然很低[3]。
基于“多場協(xié)同催化”的思想，通過提升反應(yīng)溫度和壓力提升CO2的轉(zhuǎn)化效率是上述問題的新思路。
提高光催化CO2還原反應(yīng)體系溫度，可以提升反應(yīng)物CO2分子的擴(kuò)散速率及其碰撞幾率，進(jìn)而加快反應(yīng)速率；
提高光催化CO2還原反應(yīng)體系壓力，即可以提升CO2在水溶液體系中的溶解度和光催化劑表面的吸附量，還可以促進(jìn)液態(tài)產(chǎn)物的生成[4]。
產(chǎn)品優(yōu)勢
1. 多場協(xié)同催化：光催化CO2還原反應(yīng)體系溫度可達(dá)180°C，反應(yīng)體系壓力可達(dá)0.9 MPa，可實(shí)現(xiàn)較寬的溫度和壓力調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)光熱壓多場協(xié)同催化；
2. 全自動(dòng)在線取樣：內(nèi)置取樣閥組，可實(shí)現(xiàn)與色譜聯(lián)用，在180°C高溫和50 kPa~0.9 MPa不同壓力條件下均可進(jìn)行全自動(dòng)在線取樣，提高實(shí)驗(yàn)效率，減少人為誤差；
3. 兼容性強(qiáng)：多功能釜蓋結(jié)合頂照和側(cè)照多樣化照射方式，可兼容光催化、光電催化和光熱催化CO2還原反應(yīng)；
4. 集成化程度高：反應(yīng)系統(tǒng)集成加熱、攪拌和自動(dòng)取樣模塊于一體，體積小巧節(jié)省空間。
優(yōu)勢詳解
PLR MFPR-I多功能光化學(xué)反應(yīng)儀采用釜式反應(yīng)器，有效容積100 mL，可滿足氣-液-固相光催化CO2還原反應(yīng)所需條件。內(nèi)壁為耐壓玻璃，具有高化學(xué)惰性，外壁為不銹鋼，可耐壓0.9 MPa。反應(yīng)釜蓋采用藍(lán)寶石玻璃，有效透過波長范圍0.19~5 μm，透光率>97%，通光孔徑27.5 mm，保證光催化CO2還原反應(yīng)在充足的入射光照射下進(jìn)行。
圖1. PLR MFPR-I多功能光化學(xué)反應(yīng)儀的內(nèi)部反應(yīng)釜
PLR MFPR-I多功能光化學(xué)反應(yīng)儀內(nèi)置雙溫度探頭反饋控制模式，可調(diào)控釜內(nèi)和加熱模塊溫度，溫度可達(dá)180°C，控溫精度±0.5℃，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)釜、管路和取樣閥組分別控溫，有效避免光催化CO2還原反應(yīng)過程種產(chǎn)生的低沸點(diǎn)組分在進(jìn)樣過程中冷凝。
PLR MFPR-I多功能光化學(xué)反應(yīng)儀內(nèi)置磁力攪拌器，轉(zhuǎn)速可達(dá)1500 rpm，攪拌精度為±1 rpm，在反應(yīng)過程中可充分?jǐn)嚢枞芤后w系，加快氣態(tài)CO2在溶液體系中的擴(kuò)散，可促進(jìn)催化轉(zhuǎn)化。
PLR MFPR-I多功能光化學(xué)反應(yīng)儀集成加熱、攪拌和自動(dòng)取樣模塊于一體，體積小巧節(jié)省空間，整機(jī)尺寸：220 mm(L)×240 mm(W)×270 mm(H)。彩色液晶屏可進(jìn)行反應(yīng)實(shí)驗(yàn)期間的操作，操作簡便。
圖2. PLR MFPR-I多功能光化學(xué)反應(yīng)儀操作界面
PLR MFPR-I多功能光化學(xué)反應(yīng)儀內(nèi)置取樣閥組，無需對氣相色譜儀加裝取樣閥組，即可將光催化CO2還原反應(yīng)中生成的產(chǎn)物自動(dòng)送入氣相色譜儀中完成產(chǎn)物檢測，有效提高實(shí)驗(yàn)效率，同時(shí)減少手動(dòng)進(jìn)樣產(chǎn)生的人為誤差。PLR MFPR-I多功能光化學(xué)反應(yīng)儀上的取樣閥組單次取樣量為0.1 mL，靈敏度較高，可適用于不同產(chǎn)量的光催化CO2還原反應(yīng)體系。PLR MFPR-I多功能光化學(xué)反應(yīng)儀還內(nèi)置有反應(yīng)前處理模塊，可實(shí)現(xiàn)光催化CO2還原實(shí)驗(yàn)中的加壓和抽真空等氣體置換操作。
圖3. PLR MFPR-I多功能光化學(xué)反應(yīng)儀氣路結(jié)構(gòu)示意圖
技術(shù)參數(shù)
| 工作溫度 | 室溫 ~ 180℃ ；溫控精度：± 0.5℃ |
| 工作壓力 | -50 kPa ~ 0.9 MPa（表壓，絕壓為 50 kPa ~ 1.0 MPa） |
| 反應(yīng)釜材質(zhì) | 不銹鋼 + 耐壓玻璃內(nèi)襯 |
| 有效容積 | 100 mL（釜內(nèi)容積 120 mL） |
| 取樣壓力范圍 | 80 kPa ~ 0.9 MPa（絕壓） |
| 最小取樣周期 | 3 min |
| 氣樣取樣量 | 100 μL；取樣氣體消耗量約 0.5 mL |
| 磁力攪拌速度 | 200 ~ 1500 rpm，攪拌精度：±1 rpm |
已發(fā)表文章
| 單位 | 發(fā)表期刊 | 參考文獻(xiàn) |
| 北京工業(yè)大學(xué) | Advanced Materials | [5] |
| 重慶大學(xué) | Nano Energy | [6] |
| 廈門大學(xué)大學(xué) | Applied Catalysis B: Environmental | [7] |
| 重慶大學(xué) | Energy & Environmental Science | [8] |
部分文獻(xiàn)測試結(jié)果展現(xiàn)
圖3.3.4 北京工業(yè)大學(xué)韓曉東課題組光催化CO2還原催化活性評價(jià)結(jié)果[5]
圖3.3.5 重慶大學(xué)周小元課題組光催化CO2還原催化活性評價(jià)結(jié)果[6]
圖3.3.6 廈門大學(xué)匡勤課題組光催化CO2還原催化活性評價(jià)結(jié)果[6]
- [1]Chen Peng, Lei Ben, Dong Fan*, et. al., Rare-earth single-atom La−N charge-transfer bridge on carbon nitride for highly efficient and selective photocatalytic CO2 reduction[J]. ACS Nano, 2020, 14, 15841-15852.
- [2]Bie Chuanbiao, Zhu Bicheng, Yu Jiaguo*, et. al., In situ grown monolayer N-doped graphene on CdS hollow spheres with seamless contact for photocatalytic CO2 reduction[J]. Advanced Materials, 2019, 31, 1902868.
- [3]Vu Nhu-Nang, Kaliaguine Serge, Do Trong-On*, Critical aspects and recent advances in structural engineering of photocatalysts for sunlight-driven photocatalytic reduction of CO2 into fuels[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 29, 1901825.
- [4]Kandy Mufeedah Muringa*, Rajeev K Anjana, Sankaralingam Muniyandi*, Development of proficient photocatalytic systems for enhanced photocatalytic reduction of carbon dioxide[J]. Sustainable Energy Fuels, 2021, 5, 12-33.
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- [7]Chen Qian, Xie Zhaoxiong*, Kuang Qin*, et. al, Constructing oxide/sulfide in-plane heterojunctions with enlarged internal electric field for efficient CO2 photoreduction[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2021, 297, 120394.
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