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CO2 Footprint of Thermal versus Photothermal CO2 Catalysis
发布时间:2021-04-28    浏览量:575

作者信息

1.第一作者:

  浙江大学材料科学与工程学院博士生王胜华。

2.通讯作者

 1)浙江大学硅材料国家重点实验室孙威研究员、杨德仁院士

 2)加拿大多伦多大学Geoffrey Ozin教授



文章简介

利用各种催化手段将CO2转化为高附加值产物理论上可以有效应对由CO2过量排放带来的环境问题以及由化石燃料大量燃烧所带来的能源短缺问题。然而目前催化反应的驱动能源主要还是源于化石能源的燃烧,这是一个释放CO2的过程。所以这里就产生了一个问题:利用催化能否真正实现CO2负排放?

本文主要针对近年来新兴的光热催化和传统的热催化,以间歇釜和流动相反应器中的逆水煤气和Sabatier反应为例,讨论了在这两种催化模式下CO2的足迹。要点如下:

    1)归纳了影响CO2净排放速率的几个要素:生产一千瓦时电排放的CO2量;生产一摩尔H2排放的CO2量;CO2转化速率;催化反应中各装置的电功耗。把这些要素与CO2净排放量进行了关联,提出了一些通用性公式,可以用来初步评价各单独体系的CO2净排放速率;

    2)分别以1)中的几个要素为变量对热催化和光热催化中的CO2净排放速率进行演绎,提出了几点有助于CO2减排的途径:①发展和升级电力生产系统,减少发电过程中CO2的排放;②发展节能设备;③优化反应器排布;④设计和制备高性能催化剂;

    3)以实验室规模的反应系统为例进行了演算,发现对于间歇釜反应器,只有当氙灯光源功率小于0.12 kW时通过光热途径的净CO2排放量才比热催化的小。在设备组装和配置合理的前提下,使用太阳光或清洁能源可以在CO2转化速率达到 1mol·g−1·h−1时就可以实现CO2零排放。当以太阳光作为光源时流动相反应器似乎比间歇釜更有优势,实现CO2零排放只需CO2转化速率达到0.176 mol·g−1·h−1时即可。尽管如此,想要在达到这个速率的同时实现高CO2转化率还是比较困难的。值得注意的是本文提出了一条通往CO2负排放的理想途径:当选取太阳为光源且氢气的生产来自于可再生能源时,以流动相反应器为媒介通过光热催化途径总是可以实现CO2负排放。

相信本文提出的一些通用性公式以及展望对光热催化CO2减排的未来发展会有一定的启示性作用。文章DOI :10.1002/smll.202007025,原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202007025


文章中所使用的的仪器:

产品名称:微型光热催化微反系统

产品型号:CEL-GPPCM

CEL-GPPCM微型光热催化微反系统适用于光热协同催化、光催化催化剂的评价及筛选,可做光催化的反应动力学、反应历程等方面的研究。主要应用到高温光热催化反应,光热协同催化,具体可用于半导体材料的合成烧结、催化剂材料的制备、催化剂材料的活性评价、光解水制氢、光解水制氧、二氧化碳还原、气相光催化、甲醛气体的光催化降解、VOCs、NOx、SOx、固氮等领域。

系统采用石英反应器,可满足透光的要求,能进行高温的实验。系统采用加热炉给反应器加热,可保证反应过程中温度的稳定。

系统设计为三条气路进料,配有1路气体吹扫,同时预留1路液路接口(可定量加入所需液体原料)。

系统包括:进料稳流系统、反应恒温系统,产物收集系统、控制系统

系统柜体采用铝型材制作,采用配套的螺栓、螺母固定件,美观大方,维修拆卸方便。与管线连接处采用双卡套接头,更换反应器即可做高压实验和常规热催化反应。

技术参数:

1.进料系统:3路反应进气(可扩展至4路),默认流量100mL/min;气体流量控制精度:±1%;配有1路吹扫气;配有1路液路接口。统装有配气出口,可单独做为配气系统使用。
2.反应器 :操作压力:微正压(主要用于克服系统的压力降);设计温度:≤800℃,配程序控温,开式加热炉;设计压力:常压, <0.6Mpa,反应区可恒定压力;催化剂装填量:0.1mg---100mg;材质:石英玻璃。

3.参数指标:

压力显示精度:±0.01MPa;温度显示精度:±0.1℃;温度控制精度:±1℃;流量控制精度:±1%F.S

4.控制系统:

系统采用控制模块加触屏计算机(含)联合控制,在触屏计算机上可实现100%仪表功能操作如实时读取测量值、给定值、设置参数、自动/手动切换、启动运行/停止程序,并具备数据存储和导出功能。

5.过程监视控制:实现对反应器的温度、气体流量的控制和显示。实现对反应过程中压力和反应器床层温度的监视。

6.实现对温度、压力的越限报警及连锁安全保护。温度为两级报警,温度高于第一设定值时声光报警,高于第二设定值时自动停止加热;压力高于第一设定值时声光报警,高于第二设定值时停止进料。

7.现场显示:反应器进口设有1块精细压力表,用于实时显示当前反应器的反应压力,同时匹配数显压力传感器控制屏显示。

8.控制界面:控制界面有带控制点的控制流程图、参数设置表、程序升温设置、报警窗口、历史数据以及各控制点的实时曲线和历史曲线,历史曲线保留时间永久。



产品名称:光催化反应釜

产品型号:CEL-HPR100

CEL-HPR100光催化反应釜高端版采用蓝宝石大视窗,采用双点控温(无冲温),标配控温搅拌和400mm行程自动升降平台;技术上采用新的卡环法兰结构,模块加热,实现恒温定时和运行定时功能、在线取液体样和气体样品。更安全的设计,可24小时不间断工作。



产品优势:

1)自主研发控温系统,创新性的采用釜内釜外双控温,杜绝温度过冲;

2)配置蓝宝石(Al2O3)晶体窗口,具有高强度、高硬度,耐高温、耐磨擦、耐腐蚀,透光性能好、电绝缘性能优良;

3)内部磁力搅拌:可选择磁子悬浮搅拌,无裸露旋转部件;

4)反应釜体内部可采用聚四氟喷涂工艺,规避污染;

5)釜体内部即可实现气固液反应,也可以实现气固反应;

6)实现在高压(<10MPa)高温(<300℃)下的材料催化;

7)法兰双线密封技术,解决传统密封泄漏问题,实现快速拆装;

8)配置美国anlok高质量针型阀、三通球阀、压力表,实现了灵活控制釜体压力;

9)配置安全卸荷阀,给实验安全环境又添了一道安全。


技术参数:

名称

参数

容积

100ml250ml25ml50ml500ml

窗口材料

蓝宝石、透光直径40mm(30mm,25ml、50ml)

照射方式

顶照投射式(TOP)、侧照式光催化(Side)

工作压力

10MPa,(可订做耐压20MPa,30MPa)

自动平台

可自动调节光源高度,便于釜体的装样,行程400mm

釜体材料

316L耐腐蚀不锈钢(可以随时喷涂PTFE,可订做哈氏合金),内衬(PTFE、石英)

釜盖

标配针阀、三通球阀、卸荷阀、双热电偶、压力表、备用接口阀门为美国anlok;

连接方式

双半月牙形卡环和法兰连接结构

密封

采用耐高温石墨复合材料密封,双线密封结构

加热温度

<300℃(控温精度0.1℃)

控温方式

釜体内外双点控温,双PID恒温程序控制

控制显示

液晶屏设定显示:控制温度、釜体温度、炉体温度、磁子搅拌转速

电源配置

200-240V/AC,50-60Hz,1000W

平台

配套光源平台,可以实现光源的自动升降,(可选配300W光催化氙灯光源(HXF300、PF300-T8)、大功率LED(LED100HA)、汞灯光源等)


文章下载链接:

Small online版(supporting)-浙大孙威.pdf

Small online版-浙大孙威.pdf



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