PLC-GDHC I氣體擴(kuò)散多相連續(xù)催化反應(yīng)平臺(tái)分為四大模塊,,分別為氣體擴(kuò)散反應(yīng)器,、氣體擴(kuò)散循環(huán)器,、一體式電動(dòng)升降光源和模塊化功能臺(tái)。" />
通過(guò)光催化方式將CO2轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)品,,是緩解全球變暖和能源供應(yīng)問(wèn)題的有效策略之一,,效仿太陽(yáng)光合作用,人工光合過(guò)程要實(shí)現(xiàn)CO2的高效轉(zhuǎn)化,關(guān)鍵在于光催化劑的設(shè)計(jì)和反應(yīng)體系的構(gòu)筑,。研究者們?cè)诠獯呋瘎┰O(shè)計(jì)和制備方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),,也取得了很多重要的成果,但對(duì)于反應(yīng)體系中CO2轉(zhuǎn)化過(guò)程的了解還有待進(jìn)一步深入研究,。
對(duì)于光催化CO2還原反應(yīng),,在非均相反應(yīng)中[1],將光催化劑粉末分散在反應(yīng)溶液中,,并將高純度CO2氣體引入反應(yīng)體系以生成飽和CO2溶液,。這種反應(yīng)體系雖能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)體系的宏觀流轉(zhuǎn),但仍存在以下問(wèn)題[ 2]:
(1)反應(yīng)體系通常比較復(fù)雜,,包含光催化劑,、溶劑、光敏劑(例如釕或鈷配合物等),、助催化劑和酸性或堿性犧牲劑等成分,,所有含碳物質(zhì)都可能參與化學(xué)反應(yīng),使產(chǎn)物檢測(cè)時(shí)可能無(wú)法明確真實(shí)原料轉(zhuǎn)化率,;
(2)CO2在溶液中有限的溶解度或弱的CO2吸附能力可能導(dǎo)致較低的光催化活性,;
(3)分離產(chǎn)物時(shí),很難從混合體系中分離出低產(chǎn)率的液體產(chǎn)物,,為檢測(cè)產(chǎn)物帶來(lái)較大難度,。
與固-液體系相比,氣-固體系在光催化CO2還原反應(yīng)方面更有前景,,即CO2的還原過(guò)程直接發(fā)生在氣-固界面上,,CO2和H2O蒸氣的混合氣體直接與光催化劑接觸并參與整體反應(yīng)進(jìn)程。
目前多相催化體系研究仍聚焦在材料改性和新材料研發(fā)上,,產(chǎn)物主要是CH4和CO等小分子氣體,,由于現(xiàn)階段市面上很少有光催化氣-固非均相反應(yīng)裝置,使氣-固非均相體系下光催化CO2還原反應(yīng)研究探索仍處于起步階段,。受反應(yīng)裝置等反應(yīng)條件的限制,,反應(yīng)活性遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求,能夠產(chǎn)生CH3OH,、C2H6,、CH3CHO、C2H5OH以及HCOOH等高附加值化工產(chǎn)品產(chǎn)物的反應(yīng)體系更是鮮少有報(bào)導(dǎo),。
泊菲萊科技提出一種氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的解決思路,,并研發(fā)出PLC-GDHC I氣體擴(kuò)散多相連續(xù)催化反應(yīng)平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)原料氣氛濃度時(shí)間和空間的分布管理,,可改善光催化CO2轉(zhuǎn)化到C2+產(chǎn)物的選擇性和轉(zhuǎn)化率,。
PLC-GDHC I氣體擴(kuò)散多相連續(xù)催化反應(yīng)平臺(tái)分為四大模塊,分別為氣體擴(kuò)散反應(yīng)器、氣體擴(kuò)散循環(huán)器,、一體式電動(dòng)升降光源和模塊化功能臺(tái),。
PLC-GDHC I氣體擴(kuò)散多相連續(xù)催化反應(yīng)平臺(tái)模塊和氣體擴(kuò)散反應(yīng)器氣體循環(huán)示意圖
1. 氣體擴(kuò)散反應(yīng)器內(nèi)含可搭載光催化劑的多孔疏水氣體擴(kuò)散層,可對(duì)原料氣氛進(jìn)行擾流,,使原料氣氛在與光催化劑接觸前氣流更加分散,,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣-固非均相界面的充分接觸,同時(shí),,具有疏水特性的多孔氣體擴(kuò)散層可以有效解決液態(tài)水遮蔽光催化劑活性位點(diǎn),、避免析氫反應(yīng)發(fā)生等問(wèn)題,進(jìn)而有效提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率,。
2. 氣體擴(kuò)散循環(huán)器為原料氣氛提供循環(huán)動(dòng)力,,可將攜帶水汽的原料氣氛送達(dá)至搭載光催化劑的多孔疏水氣體擴(kuò)散層參與氣-固非均相反應(yīng),同時(shí),,氣體擴(kuò)散循環(huán)器提供的外源動(dòng)力也可將反應(yīng)產(chǎn)物及時(shí)從光催化劑界面脫附,,使反應(yīng)活性位點(diǎn)重新暴露。氣體擴(kuò)散循環(huán)器亦可將未能及時(shí)參與反應(yīng)的原料氣氛,,再次送達(dá)至搭載光催化劑的多孔疏水氣體擴(kuò)散層,,再次參與氣-固非均相反應(yīng),如此往復(fù)循環(huán),,使原料氣氛更充分參與反應(yīng),,提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率,充分考慮微觀尺度下原料氣氛在反應(yīng)界面吸附-擴(kuò)散-傳遞的有效性,。
同一濃度標(biāo)氣循環(huán)10 min后,,連續(xù)四次進(jìn)樣峰面積重復(fù)性
3. 一體式電動(dòng)升降光源為機(jī)身標(biāo)配內(nèi)置白光大功率LED光源,光譜范圍400~800 nm,,光源波段可更換,、可調(diào)節(jié),、可定制,。內(nèi)置在機(jī)身內(nèi)部可有效減少實(shí)驗(yàn)室占地空間,無(wú)需反復(fù)搬運(yùn)且過(guò)多線路外露,,電動(dòng)升降設(shè)計(jì)可精細(xì)調(diào)節(jié)光源輻照距離,。
大功率LED光源光譜圖
4. 模塊化功能臺(tái)具有可拓展性,可選配加熱模塊,、底照式光電模塊和溫度控制傳感模塊,,搭配不同規(guī)格氣體擴(kuò)散反應(yīng)器以拓展不同的反應(yīng)體系類型。
光催化反應(yīng):氣-固相CO2還原,、合成氨,、固氮、甲醛氧化、降解氣體污染物(如VOCs,、甲醛,、NOx和SOx等)
[1] M. Cokoja, C. Bruckmeier, B. Rieger, W.A. Herrmann, F.E. Kühn, Transformation of carbon dioxide with homogeneous transition-metal catalysts: a molecular solution to a global challenge?, Angew Chem. Int. Ed., 2011, 50 8510-8537.
[2] Hai-Ning Wang, Yan-Hong Zou, Hong-Xu Sun, Yifa Chen , Shun-Li Lia, Ya-Qian Lan, Recent progress and perspectives in heterogeneous photocatalytic CO2 reduction through a solid-gas mode, Coordination Chemistry Reviews, 2021,438, 213906.