服務(wù)熱線
010-63716865
當(dāng)前位置 : 首頁 > 資訊動態(tài) > 行業(yè)動態(tài) > CO2 Footprint of Thermal versus Photothermal CO2 Catalysis
CO2 Footprint of Thermal versus Photothermal CO2 Catalysis
發(fā)布時間：2021-04-28 瀏覽量：6110
作者信息：
1.第一作者：
浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生王勝華。
2.通訊作者：
1）浙江大學(xué)硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫威研究員、楊德仁院士
2）加拿大多倫多大學(xué)Geoffrey Ozin教授
文章簡介：
利用各種催化手段將CO2轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)物理論上可以有效應(yīng)對由CO2過量排放帶來的環(huán)境問題以及由化石燃料大量燃燒所帶來的能源短缺問題。然而目前催化反應(yīng)的驅(qū)動能源主要還是源于化石能源的燃燒，這是一個釋放CO2的過程。所以這里就產(chǎn)生了一個問題：利用催化能否真正實(shí)現(xiàn)CO2負(fù)排放？
本文主要針對近年來新興的光熱催化和傳統(tǒng)的熱催化，以間歇釜和流動相反應(yīng)器中的逆水煤氣和Sabatier反應(yīng)為例，討論了在這兩種催化模式下CO2的足跡。要點(diǎn)如下：
1）歸納了影響CO2凈排放速率的幾個要素：生產(chǎn)一千瓦時電排放的CO2量；生產(chǎn)一摩爾H2排放的CO2量；CO2轉(zhuǎn)化速率；催化反應(yīng)中各裝置的電功耗。把這些要素與CO2凈排放量進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，提出了一些通用性公式，可以用來初步評價各單獨(dú)體系的CO2凈排放速率；
2）分別以1）中的幾個要素為變量對熱催化和光熱催化中的CO2凈排放速率進(jìn)行演繹，提出了幾點(diǎn)有助于CO2減排的途徑：①發(fā)展和升級電力生產(chǎn)系統(tǒng)，減少發(fā)電過程中CO2的排放；②發(fā)展節(jié)能設(shè)備；③優(yōu)化反應(yīng)器排布；④設(shè)計(jì)和制備高性能催化劑；
3）以實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的反應(yīng)系統(tǒng)為例進(jìn)行了演算，發(fā)現(xiàn)對于間歇釜反應(yīng)器，只有當(dāng)氙燈光源功率小于0.12 kW時通過光熱途徑的凈CO2排放量才比熱催化的小。在設(shè)備組裝和配置合理的前提下，使用太陽光或清潔能源可以在CO2轉(zhuǎn)化速率達(dá)到 1mol·g?1·h?1時就可以實(shí)現(xiàn)CO2零排放。當(dāng)以太陽光作為光源時流動相反應(yīng)器似乎比間歇釜更有優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)CO2零排放只需CO2轉(zhuǎn)化速率達(dá)到0.176 mol·g?1·h?1時即可。盡管如此，想要在達(dá)到這個速率的同時實(shí)現(xiàn)高CO2轉(zhuǎn)化率還是比較困難的。值得注意的是本文提出了一條通往CO2負(fù)排放的理想途徑：當(dāng)選取太陽為光源且氫氣的生產(chǎn)來自于可再生能源時，以流動相反應(yīng)器為媒介通過光熱催化途徑總是可以實(shí)現(xiàn)CO2負(fù)排放。
相信本文提出的一些通用性公式以及展望對光熱催化CO2減排的未來發(fā)展會有一定的啟示性作用。文章DOI :10.1002/smll.202007025，原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202007025
文章中所使用的的儀器：
產(chǎn)品名稱：微型光熱催化微反系統(tǒng)
產(chǎn)品型號：CEL-GPPCM
CEL-GPPCM微型光熱催化微反系統(tǒng)適用于光熱協(xié)同催化、光催化催化劑的評價及篩選，可做光催化的反應(yīng)動力學(xué)、反應(yīng)歷程等方面的研究。主要應(yīng)用到高溫光熱催化反應(yīng)，光熱協(xié)同催化，具體可用于半導(dǎo)體材料的合成燒結(jié)、催化劑材料的制備、催化劑材料的活性評價、光解水制氫、光解水制氧、二氧化碳還原、氣相光催化、甲醛氣體的光催化降解、VOCs、NOx、SOx、固氮等領(lǐng)域。
系統(tǒng)采用石英反應(yīng)器，可滿足透光的要求，能進(jìn)行高溫的實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)采用加熱爐給反應(yīng)器加熱，可保證反應(yīng)過程中溫度的穩(wěn)定。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三條氣路進(jìn)料，配有1路氣體吹掃，同時預(yù)留1路液路接口（可定量加入所需液體原料）。
系統(tǒng)包括：進(jìn)料穩(wěn)流系統(tǒng)、反應(yīng)恒溫系統(tǒng)，產(chǎn)物收集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)
系統(tǒng)柜體采用鋁型材制作，采用配套的螺栓、螺母固定件，美觀大方，維修拆卸方便。與管線連接處采用雙卡套接頭，更換反應(yīng)器即可做高壓實(shí)驗(yàn)和常規(guī)熱催化反應(yīng)。
技術(shù)參數(shù)：
1.進(jìn)料系統(tǒng)：3路反應(yīng)進(jìn)氣（可擴(kuò)展至4路），默認(rèn)流量100mL/min；氣體流量控制精度：±1%；配有1路吹掃氣；配有1路液路接口。統(tǒng)裝有配氣出口，可單獨(dú)做為配氣系統(tǒng)使用。
2.反應(yīng)器 ：操作壓力：微正壓（主要用于克服系統(tǒng)的壓力降）；設(shè)計(jì)溫度：≤800℃，配程序控溫，開式加熱爐；設(shè)計(jì)壓力：常壓, <0.6Mpa，反應(yīng)區(qū)可恒定壓力；催化劑裝填量：0.1mg---100mg；材質(zhì)：石英玻璃。
3.參數(shù)指標(biāo)：
壓力顯示精度：±0.01MPa；溫度顯示精度：±0.1℃；溫度控制精度：±1℃；流量控制精度：±1%F.S
4.控制系統(tǒng)：
系統(tǒng)采用控制模塊加觸屏計(jì)算機(jī)（含）聯(lián)合控制，在觸屏計(jì)算機(jī)上可實(shí)現(xiàn)100%儀表功能操作如實(shí)時讀取測量值、給定值、設(shè)置參數(shù)、自動/手動切換、啟動運(yùn)行/停止程序，并具備數(shù)據(jù)存儲和導(dǎo)出功能。
5.過程監(jiān)視控制：實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)器的溫度、氣體流量的控制和顯示。實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)過程中壓力和反應(yīng)器床層溫度的監(jiān)視。
6.實(shí)現(xiàn)對溫度、壓力的越限報(bào)警及連鎖安全保護(hù)。溫度為兩級報(bào)警，溫度高于第一設(shè)定值時聲光報(bào)警，高于第二設(shè)定值時自動停止加熱；壓力高于第一設(shè)定值時聲光報(bào)警，高于第二設(shè)定值時停止進(jìn)料。
7.現(xiàn)場顯示：反應(yīng)器進(jìn)口設(shè)有1塊精細(xì)壓力表，用于實(shí)時顯示當(dāng)前反應(yīng)器的反應(yīng)壓力，同時匹配數(shù)顯壓力傳感器控制屏顯示。
8.控制界面：控制界面有帶控制點(diǎn)的控制流程圖、參數(shù)設(shè)置表、程序升溫設(shè)置、報(bào)警窗口、歷史數(shù)據(jù)以及各控制點(diǎn)的實(shí)時曲線和歷史曲線，歷史曲線保留時間永久。
產(chǎn)品名稱：光催化反應(yīng)釜
產(chǎn)品型號：CEL-HPR100
CEL-HPR100光催化反應(yīng)釜高端版采用藍(lán)寶石大視窗，采用雙點(diǎn)控溫（無沖溫），標(biāo)配控溫?cái)嚢韬?00mm行程自動升降平臺；技術(shù)上采用新的卡環(huán)法蘭結(jié)構(gòu)，模塊加熱，實(shí)現(xiàn)恒溫定時和運(yùn)行定時功能、在線取液體樣和氣體樣品。更安全的設(shè)計(jì)，可24小時不間斷工作。
產(chǎn)品優(yōu)勢：
1)自主研發(fā)控溫系統(tǒng)，創(chuàng)新性的采用釜內(nèi)釜外雙控溫，杜絕溫度過沖；
2)配置藍(lán)寶石（Al2O3）晶體窗口，具有高強(qiáng)度、高硬度，耐高溫、耐磨擦、耐腐蝕，透光性能好、電絕緣性能優(yōu)良；
3)內(nèi)部磁力攪拌：可選擇磁子懸浮攪拌，無裸露旋轉(zhuǎn)部件；
4)反應(yīng)釜體內(nèi)部可采用聚四氟噴涂工藝，規(guī)避污染；
5)釜體內(nèi)部即可實(shí)現(xiàn)氣固液反應(yīng)，也可以實(shí)現(xiàn)氣固反應(yīng)；
6)實(shí)現(xiàn)在高壓（<10MPa）高溫(<300℃)下的材料催化；
7)法蘭雙線密封技術(shù)，解決傳統(tǒng)密封泄漏問題，實(shí)現(xiàn)快速拆裝；
8)配置美國anlok高質(zhì)量針型閥、三通球閥、壓力表，實(shí)現(xiàn)了靈活控制釜體壓力；
9)配置安全卸荷閥，給實(shí)驗(yàn)安全環(huán)境又添了一道安全。
技術(shù)參數(shù)：
名稱 | 參數(shù) |
容積 | 100ml、250ml、25ml、50ml、500ml |
窗口材料 | 藍(lán)寶石、透光直徑40mm（30mm，25ml、50ml） |
照射方式 | 頂照投射式（TOP）、側(cè)照式光催化（Side） |
工作壓力 | 10MPa，（可訂做耐壓20MPa，30MPa） |
自動平臺 | 可自動調(diào)節(jié)光源高度，便于釜體的裝樣，行程400mm |
釜體材料 | 316L耐腐蝕不銹鋼（可以隨時噴涂PTFE，可訂做哈氏合金），內(nèi)襯（PTFE、石英） |
釜蓋 | 標(biāo)配針閥、三通球閥、卸荷閥、雙熱電偶、壓力表、備用接口閥門為美國anlok； |
連接方式 | 雙半月牙形卡環(huán)和法蘭連接結(jié)構(gòu) |
密封 | 采用耐高溫石墨復(fù)合材料密封，雙線密封結(jié)構(gòu) |
加熱溫度 | <300℃（控溫精度0.1℃） |
控溫方式 | 釜體內(nèi)外雙點(diǎn)控溫，雙PID恒溫程序控制 |
控制顯示 | 液晶屏設(shè)定顯示：控制溫度、釜體溫度、爐體溫度、磁子攪拌轉(zhuǎn)速 |
電源配置 | 200-240V/AC，50-60Hz，1000W |
平臺 | 配套光源平臺，可以實(shí)現(xiàn)光源的自動升降，(可選配300W光催化氙燈光源（HXF300、PF300-T8）、大功率LED（LED100HA）、汞燈光源等) |
文章下載鏈接：
Small online版(supporting)-浙大孫威.pdf
