光-電-熱-壓 多場協(xié)同CO2還原反應
一般情況下，光催化CO2還原反應在常溫、常壓條件下進行[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，會導致CO2的轉化效率仍然很低[3]。
基于“多場協(xié)同催化”的思想，通過提升反應溫度和壓力提升CO2的轉化效率是上述問題的新思路。
提高光催化CO2還原反應體系溫度，可以提升反應物CO2分子的擴散速率及其碰撞幾率，進而加快反應速率；
提高光催化CO2還原反應體系壓力，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還原反應體系溫度可達180°C，反應體系壓力可達0.9 MPa，可實現(xiàn)較寬的溫度和壓力調節(jié)，實現(xiàn)光熱壓多場協(xié)同催化；
2. 全自動在線取樣：內置取樣閥組，可實現(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行全自動在線取樣，提高實驗效率，減少人為誤差；
3. 兼容性強：多功能釜蓋結合頂照和側照多樣化照射方式，可兼容光催化、光電催化和光熱催化CO2還原反應；
4. 集成化程度高：反應系統(tǒng)集成加熱、攪拌和自動取樣模塊于一體，體積小巧節(jié)省空間。
優(yōu)勢詳解
PLR MFPR-I多功能光化學反應儀采用釜式反應器，有效容積100 mL，可滿足氣-液-固相光催化CO2還原反應所需條件。內壁為耐壓玻璃，具有高化學惰性，外壁為不銹鋼，可耐壓0.9 MPa。反應釜蓋采用藍寶石玻璃，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還原反應在充足的入射光照射下進行。
圖1. PLR MFPR-I多功能光化學反應儀的內部反應釜
PLR MFPR-I多功能光化學反應儀內置雙溫度探頭反饋控制模式，可調控釜內和加熱模塊溫度，溫度可達180°C，控溫精度±0.5℃，同時可實現(xiàn)對反應釜、管路和取樣閥組分別控溫，有效避免光催化CO2還原反應過程種產(chǎn)生的低沸點組分在進樣過程中冷凝。
PLR MFPR-I多功能光化學反應儀內置磁力攪拌器，轉速可達1500 rpm，攪拌精度為±1 rpm，在反應過程中可充分攪拌溶液體系，加快氣態(tài)CO2在溶液體系中的擴散，可促進催化轉化。
PLR MFPR-I多功能光化學反應儀集成加熱、攪拌和自動取樣模塊于一體，體積小巧節(jié)省空間，整機尺寸：220 mm(L)×240 mm(W)×270 mm(H)。彩色液晶屏可進行反應實驗期間的操作，操作簡便。
圖2. PLR MFPR-I多功能光化學反應儀操作界面
PLR MFPR-I多功能光化學反應儀內置取樣閥組，無需對氣相色譜儀加裝取樣閥組，即可將光催化CO2還原反應中生成的產(chǎn)物自動送入氣相色譜儀中完成產(chǎn)物檢測，有效提高實驗效率，同時減少手動進樣產(chǎn)生的人為誤差。PLR MFPR-I多功能光化學反應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還原反應體系。PLR MFPR-I多功能光化學反應儀還內置有反應前處理模塊，可實現(xiàn)光催化CO2還原實驗中的加壓和抽真空等氣體置換操作。
圖3. PLR MFPR-I多功能光化學反應儀氣路結構示意圖
技術參數(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） |
| 反應釜材質 | 不銹鋼 + 耐壓玻璃內襯 |
| 有效容積 | 100 mL（釜內容積 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 |
| 北京工業(yè)大學 | Advanced Materials | [5] |
| 重慶大學 | Nano Energy | [6] |
| 廈門大學大學 | Applied Catalysis B: Environmental | [7] |
| 重慶大學 | Energy & Environmental Science | [8] |
部分文獻測試結果展現(xiàn)
圖3.3.4 北京工業(yè)大學韓曉東課題組光催化CO2還原催化活性評價結果[5]
圖3.3.5 重慶大學周小元課題組光催化CO2還原催化活性評價結果[6]
圖3.3.6 廈門大學匡勤課題組光催化CO2還原催化活性評價結果[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.
- [5]Feng Yibo, Wang Cong*, Han Xiaodong*, et. al, Ultrahigh photocatalytic CO2 reduction efficiency and selectivity manipulation by single-tungsten-atom oxide at atomic step of TiO2[J]. Advanced Materials, 2022, 34, 2109074.
- [6]Meng Jiazhi, Duan Yongyu, Zhou Xiaoyuan*, et. al, Facet junction of BiOBr nanosheets boosting spatial charge separation for CO2 photoreduction[J]. Nano Energy，2022.92, 106677.
- [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.
- [8]Ban C, Wang Y, Feng Y, et al. Photochromic single atom Ag/TiO2 catalysts for selective CO2 reduction to CH4. Energy & Environmental Science, 2024.
