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CO2 Footprint of Thermal versus Photothermal CO2 Catalysis
發(fā)布時間:2021-04-28    瀏覽量:5673

作者信息

1.第一作者:

  浙江大學材料科學與工程學院博士生王勝華。

2.通訊作者

 1)浙江大學硅材料國家重點實驗室孫威研究員、楊德仁院士

 2)加拿大多倫多大學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現(xiàn)CO2負排放?

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器中的逆水煤氣和Sabatier反應為例,討論了在這兩種催化模式下CO2的足跡。要點如下:

    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;催化反應中各裝置的電功耗。把這些要素與CO2凈排放量進行了關聯(lián),提出了一些通用性公式,可以用來初步評價各單獨體系的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凈排放速率進行演繹,提出了幾點有助于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)能設備;③優(yōu)化反應器排布;④設計和制備高性能催化劑;

    3)以實驗室規(guī)模的反應系統(tǒng)為例進行了演算,發(fā)現(xiàn)對于間歇釜反應器,只有當氙燈光源功率小于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)化速率達到 1mol·g?1·h?1時就可以實現(xiàn)CO2零排放。當以太陽光作為光源時流動相反應器似乎比間歇釜更有優(yōu)勢,實現(xiàn)CO2零排放只需CO2轉(zhuǎn)化速率達到0.176 mol·g?1·h?1時即可。盡管如此,想要在達到這個速率的同時實現(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負排放的理想途徑:當選取太陽為光源且氫氣的生產(chǎn)來自于可再生能源時,以流動相反應器為媒介通過光熱催化途徑總是可以實現(xiàn)CO2負排放。

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,可做光催化的反應動力學、反應歷程等方面的研究。主要應用到高溫光熱催化反應,光熱協(xié)同催化,具體可用于半導體材料的合成燒結(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、固氮等領域。

系統(tǒng)采用石英反應器,可滿足透光的要求,能進行高溫的實驗。系統(tǒng)采用加熱爐給反應器加熱,可保證反應過程中溫度的穩(wěn)定。

系統(tǒng)設計為三條氣路進料,配有1路氣體吹掃,同時預留1路液路接口(可定量加入所需液體原料)。

系統(tǒng)包括:進料穩(wěn)流系統(tǒng)、反應恒溫系統(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,更換反應器即可做高壓實驗和常規(guī)熱催化反應。

技術參數(shù):

1.進料系統(tǒng):3路反應進氣(可擴展至4路),默認流量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,可單獨做為配氣系統(tǒng)使用。
2.反應器 :操作壓力:微正壓(主要用于克服系統(tǒng)的壓力降);設計溫度:≤800℃,配程序控溫,開式加熱爐;設計壓力:常壓, <0.6Mpa,反應區(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:

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算機(含)聯(lián)合控制,在觸屏計算機上可實現(xiàn)100%儀表功能操作如實時讀取測量值、給定值、設置參數(shù)、自動/手動切換、啟動運行/停止程序,并具備數(shù)據(jù)存儲和導出功能。

5.過程監(jiān)視控制:實現(xiàn)對反應器的溫度、氣體流量的控制和顯示。實現(xiàn)對反應過程中壓力和反應器床層溫度的監(jiān)視。

6.實現(xiàn)對溫度、壓力的越限報警及連鎖安全保護。溫度為兩級報警,溫度高于第一設定值時聲光報警,高于第二設定值時自動停止加熱;壓力高于第一設定值時聲光報警,高于第二設定值時停止進料。

7.現(xiàn)場顯示:反應器進口設有1塊精細壓力表,用于實時顯示當前反應器的反應壓力,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的控制流程圖、參數(shù)設置表、程序升溫設置、報警窗口、歷史數(shù)據(jù)以及各控制點的實時曲線和歷史曲線,歷史曲線保留時間永久。



產(chǎn)品名稱:光催化反應釜

產(chǎn)品型號:CEL-HPR100

CEL-HPR100光催化反應釜高端版采用藍寶石大視窗,采用雙點控溫(無沖溫),標配控溫攪拌和400mm行程自動升降平臺;技術上采用新的卡環(huán)法蘭結(jié)構,模塊加熱,實現(xiàn)恒溫定時和運行定時功能、在線取液體樣和氣體樣品。更安全的設計,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)配置藍寶石(Al2O3)晶體窗口,具有高強度、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)部即可實現(xiàn)氣固液反應,也可以實現(xiàn)氣固反應;

6)實現(xiàn)在高壓(<10MPa)高溫(<300℃)下的材料催化;

7)法蘭雙線密封技術,解決傳統(tǒng)密封泄漏問題,實現(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,實現(xiàn)了靈活控制釜體壓力;

9)配置安全卸荷閥,給實驗安全環(huán)境又添了一道安全。


技術參數(shù):

名稱

參數(shù)

容積

100ml250ml、25ml50ml、500ml

窗口材料

藍寶石、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

密封

采用耐高溫石墨復合材料密封,雙線密封結(jié)構

加熱溫度

<300℃(控溫精度0.1℃)

控溫方式

釜體內(nèi)外雙點控溫,雙PID恒溫程序控制

控制顯示

液晶屏設定顯示: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

Small online版-浙大孫威.pdf



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