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CO2 Footprint of Thermal versus Photothermal CO2 Catalysis
發(fā)布時(shí)間:2021-04-28    瀏覽量:5602

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(guó)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(jiǎn)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(duì)由CO2過(guò)量排放帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題以及由化石燃料大量燃燒所帶來(lái)的能源短缺問(wèn)題。然而目前催化反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)能源主要還是源于化石能源的燃燒,這是一個(gè)釋放CO2的過(guò)程。所以這里就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題:利用催化能否真正實(shí)現(xiàn)CO2負(fù)排放?

本文主要針對(duì)近年來(lái)新興的光熱催化和傳統(tǒng)的熱催化,以間歇釜和流動(dòng)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(gè)要素:生產(chǎn)一千瓦時(shí)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(lái)初步評(píng)價(jià)各單獨(dú)體系的CO2凈排放速率;

    2)分別以1)中的幾個(gè)要素為變量對(duì)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(jí)電力生產(chǎn)系統(tǒng),減少發(fā)電過(guò)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(duì)于間歇釜反應(yīng)器,只有當(dāng)氙燈光源功率小于0.12 kW時(shí)通過(guò)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(yáng)光或清潔能源可以在CO2轉(zhuǎn)化速率達(dá)到 1mol·g?1·h?1時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)CO2零排放。當(dāng)以太陽(yáng)光作為光源時(shí)流動(dòng)相反應(yīng)器似乎比間歇釜更有優(yōu)勢(shì),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(shí)即可。盡管如此,想要在達(dá)到這個(gè)速率的同時(shí)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(yáng)為光源且氫氣的生產(chǎn)來(lái)自于可再生能源時(shí),以流動(dòng)相反應(yīng)器為媒介通過(guò)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(duì)光熱催化CO2減排的未來(lái)發(fā)展會(huì)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(chēng):微型光熱催化微反系統(tǒng)

產(chǎn)品型號(hào):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(píng)價(jià)及篩選,可做光催化的反應(yīng)動(dòng)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(píng)價(jià)、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(mǎn)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(guò)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(shí)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(kāi)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(shí)讀取測(cè)量值、給定值、設(shè)置參數(shù)、自動(dòng)/手動(dòng)切換、啟動(dòng)運(yùn)行/停止程序,并具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和導(dǎo)出功能。

5.過(guò)程監(jiān)視控制:實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)器的溫度、氣體流量的控制和顯示。實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)過(guò)程中壓力和反應(yīng)器床層溫度的監(jiān)視。

6.實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力的越限報(bào)警及連鎖安全保護(hù)。溫度為兩級(jí)報(bào)警,溫度高于第一設(shè)定值時(shí)聲光報(bào)警,高于第二設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停止加熱;壓力高于第一設(shè)定值時(shí)聲光報(bào)警,高于第二設(shè)定值時(shí)停止進(jìn)料。

7.現(xiàn)場(chǎng)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(shí)顯示當(dāng)前反應(yīng)器的反應(yīng)壓力,同時(shí)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(shí)曲線和歷史曲線,歷史曲線保留時(shí)間永久。



產(chǎn)品名稱(chēng):光催化反應(yīng)釜

產(chǎn)品型號(hào):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(wú)沖溫),標(biāo)配控溫?cái)嚢韬?00mm行程自動(dòng)升降平臺(tái);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(shí)和運(yùn)行定時(shí)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(shí)不間斷工作。



產(chǎn)品優(yōu)勢(shì):

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(guò)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(wú)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(wèn)題,實(shí)現(xiàn)快速拆裝;

8)配置美國(guó)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(chēng)

參數(shù)

容積

100ml、250ml25ml、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(dòng)平臺(tái)

可自動(dòng)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(shí)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(mén)為美國(guó)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(tái)

配套光源平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)光源的自動(dòng)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)


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