太阳能光热催化制氢研究进展

太阳能光热催化(SPTC)制氢技术是从遵循全光谱太阳能分波段能量禀赋特性出发,利用太阳能短波部分高品位光子的光效应驱动光催化反应,同时利用长波部分低品位光子的热效应驱动热催化反应或者辅助强化光催化制氢,可解决传统热催化的高能耗和光催化的低转化效率问题,实现全光谱太阳能的分波段协调转化高效制氢。本文首先介绍了SPTC的定义与分类,然后详细综述了热效应对光催化以及光效应对热催化的协同强化机制,最后对SPTC技术的发展前景进行展望,以期为该技术更广泛的研究及应用提供指导。

泡沫碳负载一维TiO_(2)光热催化蒸发器的制备及污水蒸发降解性能

界面光热水蒸发是极具研究前景的有机污水纯化技术,但也存在有机污染物在光热蒸发器表面沉积的问题.为此,本文将具有光催化效应的纳米TiO_(2)引入到多孔泡沫碳光热吸收体中制备了复合光热催化蒸发器(CF@RT),并对复合材料的结构和光热催化性能进行了分析.结果表明,CF@RT中生长有大量直径约10 nm的一维TiO_(2)纳米棒,纳米棒均匀分散在泡沫碳表面和孔结构中;TiO_(2)的引入有效拓宽了材料对光的响应范围,使复合材料具备光热和光催化双功能;多孔泡沫碳通过吸收可见-红外光转换为热能实现水的蒸发,一维TiO_(2)则通过吸收紫外光形成电子-空穴对,并通过氧化还原反应实现污染物降解.同时,泡沫碳和TiO_(2)的结合还使光热和光催化之间存在协同促进效应,光催化过程能抑制污染物沉积,促进光热水蒸发性能持续提升,光热效应又可加速光生电子-空穴对的分离和迁移,促进光催化降解.在太阳光照射下,最优体系CF@RT160在2.5 h内使MB降解率达到74%,光热水蒸发率为0.89 kg·m^(-2)·h^(-1),且经4次循环后,水蒸发率提升至0.95 kg·m^(-2)·h^(-1).

一锅法光热催化升级转化聚乳酸制备氢气和丙酮酸

聚乳酸(PLA)是一种生物可降解高分子材料,近年来已广泛用作常规塑料的替代品.然而,其在自然环境中生物降解往往需要较长时间,这不仅延长了降解周期,还导致了碳资源的浪费.光热催化技术不仅可以利用清洁的太阳能资源原位产生活性氧化还原物种,同时通过引入热源改善纯光或纯热催化效率低和产物选择性差等难题,有望在塑料催化升级转化过程中发挥作用.本文通过原位光沉积方法分别在二氧化钛(TiO_(2))、氮化碳纳米片(A-V-PCN)和硫化镉(CdS)半导体载体上制备了一系列铂基光热催化剂,铂纳米粒子的平均粒径约2 nm.对铂基光热催化剂的光热催化乳酸水溶液的析氢反应进行了综合评价和比较.结果表明,铂基光热催化剂的光热催化制氢性能远优于纯光催化和纯热催化.其中,CdS半导体负载的铂基催化剂(Pt/CdS)对聚乳酸光热催化转化表现出最优的催化活性,在150°C时,Pt/CdS催化产氢速率分别是Pt/TiO_(2)和Pt/A-V-PCN的1.2倍和4.8倍.变温光电流密度响应、莫特-肖特基以及荧光光谱测试结果表明,提高温度可以有效地抑制光生载流子的复合,从而大幅度提高光热催化转化效率.对不同光热催化剂的液相产物和能带结构进行分析发现,具有合适带隙的CdS半导体能够高选择性地催化生成丙酮酸.相比之下,TiO_(2)和A-V-PCN半导体上由于形成羟基自由基,导致丙酮酸被进一步氧化分解为乙醛和少量的甲酸.原位电子自旋共振表征和理论计算结果进一步揭示,CdS有助于关键中间体(碳中心自由基)的形成和连续脱氢,从而促进了Pt/CdS高选择性制备丙酮酸,并有效抑制过氧化产物的累积.将Pt/CdS催化剂应用于实际聚乳酸塑料时,其光热催化反应的制氢速率为200±17.5 mmol·gcat^(-1)·gplastic^(-1),丙酮酸在液体产物中的选择性为98.1%,产率达到100±11.5 mmol·gcat^(-1)·gplastic^(-1).循环稳定性实验和反应前后的催化剂表征结果表明,Pt/CdS催化剂在光热反应条件下具有较好的稳定性.综上,本工作实现了一锅法光热催化转化聚乳酸为氢气和高附加值含氧化合物丙酮酸,发展了一种高效高选择性转化塑料废弃物为高附加值化学品的光热催化策略,为废塑料碳资源的绿色循环利用提供了解决思路.

Pd/MoS_(2)花状超结构的制备及其光热催化铃木偶联反应性能研究

Pd作为高活性的贵金属催化剂广泛用于铃木偶联反应等有机反应。为提高Pd催化剂对铃木偶联反应的催化性能,采用具有光热效应的MoS_(2)作为载体,设计并制备Pd/MoS_(2)复合纳米催化剂。首先通过水热法合成MoS_(2)花状超结构,该结构由纳米片(片径为200~300 nm,厚度约为7 nm)组装而成。利用还原法在MoS_(2)花状超结构的表面负载Pd纳米颗粒,其直径约为11 nm。随后,以Pd/MoS_(2)花状超结构为催化剂研究了激光加热和油浴加热两种条件下的铃木偶联反应效率。随着波长808 nm的激光的强度从1增加到4 W/cm^(2),激光加热使溶液平衡温度从29.4升高到60.8℃,相应的光热催化产率从30.5%提高到86.3%,明显高于油浴加热同等温度下的热催化产率(24.3%~60.4%)。当反应温度为40℃时,光热催化速率是热催化的1.5倍。综上,Pd/MoS_(2)花状超结构展现了较好的光热催化性能,为设计高活性的铃木偶联反应催化剂提供了新思路。

Mg掺杂In_(2)O_(3)-x催化剂光热催化CO_(2)加氢

为提高光热催化CO_(2)加氢In_(2)O_(3)催化剂的催化活性,采用均相水热法制备Mg(OH)_(2)-In(OH)_(3)前驱体,通过高温煅烧和H2-还原处理得到了富含氧空位的Mg掺杂In_(2)O_(3)-x(Mg-In_(2)O_(3)-x)催化剂。在300℃、常压、可见光照射条件下,CO_(2)加氢转化为CO的CO_(2)转化率可达31.20%,CO产生速率为14.22 mmol·gcat^(-1)·h^(-1),CO选择性为100%。相比于单一In_(2)O_(3)-x催化剂,Mg-In_(2)O_(3)-x催化剂光热催化CO_(2)转化率及CO产生速率明显提高,这归因于Mg成功掺杂到In_(2)O_(3)晶格中,促进In_(2)O_(3)表面氧空位的形成,进而对可见光响应效率大幅提高,并有效减缓光生电子-空穴的复合。

光热催化还原二氧化碳研究综述

以化石能源为主体的能源消耗不仅造成严重的大气污染,还产生大量的CO_(2),加剧了气候恶化。“减污降碳”成为全球绿色高质量发展的重大战略需求。其中,将CO_(2)催化转化为高附加值碳基化合物成为当前能源与环境领域研究的热点。目前,CO_(2)催化还原的技术主要有热催化、光催化、电催化、光热催化和光电催化等。其中,光热耦合的光驱动光热协同催化技术不但克服了单一光/热催化技术的不足,而且能充分发挥二者的优势,在低(无)能耗的条件下实现高效高选择性催化还原CO_(2)制备碳基化合物,是一种理想的催化还原路径。针对光热催化的分类、机理以及光热催化还原CO_(2)催化剂的优化设计分别做出了概述,并论述了光热催化还原CO_(2)的工业应用以及现存的问题,最后对光热催化还原CO_(2)技术的未来发展进行了展望。

光热催化百叶型Trombe墙性能的实验探究

针对Trombe墙存在夏季过热、冬季室内污染物易积累等问题,提出光热催化百叶型Trombe墙新系统,在冬季实现采暖和甲醛净化、夏季实现净化的同时,能将太阳辐射反射到室外,缓解室内过热。光热催化百叶能同时利用光能和热能驱动催化净化反应,还可产生协同效应来增强反应效率。首先探究不同比例的光热催化剂对甲醛降解性能的影响,并测试不同甲醛浓度、紫外辐照度和催化温度条件下的甲醛降解性能,揭示太阳辐射作用下的光热协同净化效应;然后搭建光热催化百叶型Trombe墙实验测试系统,探究不同太阳辐照度和百叶翻转角度下光热催化百叶型Trombe墙的热性能和甲醛降解性能。研究结果表明:光热催化剂比例为10%的光热复合催化剂的除醛效率最佳;太阳辐射使得光热复合催化剂的活化能降低了14.46%~31.25%,产生了光热协同效应;光热催化百叶型Trombe墙的采暖效率可达到46.21%,每小时产生的干净空气量(CADR)最大为81.47 m^(3)/h,且墙体的采暖效率和甲醛净化效率均随太阳辐照度和百叶翻转角度的增大而增大。

光热催化CO_(2)还原制甲酸研究进展

CO_(2)资源化利用是实现“碳达峰碳中和”目标不可或缺的环节。将CO_(2)催化转化为甲酸是一种有效且最为原子经济的路径,但因CO_(2)热力学性质稳定,导致其不易活化,反应转化率低。为了在温和条件下得到更高的甲酸产率,将光催化与热催化结合。光热催化主要体现在光活化上,通过激发载流子,调控电子注入位置和吸附位点有效活化CO_(2),热能则增强反应物CO_(2)的吸附、电荷转移和反应速率,激活热活性位点,结合光催化的低能耗、反应条件温和与热催化高效率的优势提高甲酸产率及选择性。目前,光热催化CO_(2)还原制甲酸的主要挑战在于CO_(2)固有的化学稳定性使得CO_(2)转化率低、产物不可控、选择性差等。基于目前对光热催化CO_(2)转化技术的需求,分别介绍了光催化、热催化、光热催化的原理、优势及存在的问题,重点从催化剂改性、反应条件、反应器选择方面综述了光热催化CO_(2)还原制甲酸过程中提高CO_(2)转化率和甲酸选择性的策略,其中重点探讨对于催化剂的改性,包括提高电子-空穴分离程度、调控暴露面比例以及提高CO_(2)的吸附,并阐述了光热催化CO_(2)还原制甲酸需重点攻克的问题。未来研究应综合考虑反应器选择与催化剂设计,通过反应条件的优化,实现高产率甲酸的生产以及光热催化大规模工业应用。

光热催化甲烷干重整研究进展

随着工业化的推进,化石能源的消耗产生大量温室气体,其中CH_(4)和CO_(2)占据温室气体排放的98%以上。将CH_(4)和CO_(2)转化为高附加值化学品具有重要的意义,一直受到工业界和学术界广泛关注。传统的热催化甲烷干重整(DRM)可实现将CH_(4)和CO_(2)转化为合成气,但该反应过程受热力学限制,需要很高的能量输入,并且由于反应温度较高,催化剂易发生积碳而失活。绿色环保的光催化技术可以使甲烷干重整反应在温和条件下进行,但是存在太阳光利用率和反应转化率较低等问题。最近光热协同催化受到学术界广泛关注。许多研究结果表明,在相对温和的条件下,光热催化DRM可以获得良好的催化效果,可有效实现太阳能转化为化学能。本文简要介绍近期光热催化甲烷干重整反应的研究进展,总结不同金属催化剂在光热催化甲烷干重整中的应用,同时提出了光热催化甲烷干重整存在的一些挑战及展望。

高效光热催化废旧聚酯塑料升级回收

太阳能是一种绿色、清洁的能源.将可再生太阳能转化为热能驱动聚酯醇解反应,即发展光热催化聚酯醇解方法,实现废弃塑料转化为高纯度、高附加值单体,有望解决传统热催化体系效率低、能耗高的问题,实现废弃塑料的高效增值回收利用.一方面,光热催化体系可满足传统热催化所需的反应温度,同时光热催化过程中存在的局域热效应,可进一步提升聚酯回收的催化活性,保障聚酯的高效醇解.另一方面,利用太阳能驱动光热催化聚酯醇解反应,不仅降低能耗,减少CO_(2)排放,还可以充分利用清洁能源,实现太阳能到化学能的高效转化.然而,催化剂的光热转化效率低、局域热效应弱以及催化活性低是限制其发展的挑战问题.本文采用模板法合成了ZIF-8纳米粒子,在ZIF-8表面包覆一层SiO_(2),经高温处理后得到一体化光热催化剂.内部碳材料在吸收太阳光后产生热能,而外层SiO_(2)可以阻止内部热的辐射损失,从而提高局域温度.此外,SiO_(2)包覆层可以抑制c-ZIF-8在高温热解过程中的聚集,使催化剂在催化反应过程中具有更好的分散性.优化后的光热催化剂(c-ZIF-8@25SiO_(2))在0.78 Wcm-2模拟太阳光照射30 min下的PET转化率为84.97%,是热催化反应性能的3.4倍.当反应时间延长至45 min时,PET转化率达到100%.动力学分析表明,光热催化PET醇解的活化能为59.35 k Jmol-1,低于大多文献报道值(通常>70 k J mol-1),更重要的是,其活化能也与热催化PET醇解的活化能(61.04 k Jmol-1)相近反应.上述结果表明,c-ZIF-8@25SiO_(2)纳米颗粒光热催化PET醇解和热催化PET醇解的反应路径可能是相同的,因此排除了光化学活化在光热催化中的贡献.此外,这种SiO_(2)包覆层也使内部催化剂具有较高的稳定性,其中PET转化率和对苯二甲酸乙二醇酯产率在5次循环后分别保持在初始值的98%和95%.在室外太阳光照射下进行PET醇解实验以及从混合塑料中选择性回收PET,进一步证明了c-ZIF-8@25SiO_(2)在光热催化PET醇解方面具有较好的用前景.技术经济分析表明,每回收1万吨PET,选择光热催化可节电6390000 k W·h,减少3089.59吨CO_(2)排放.综上,本文策略为增强光热催化中的局部加热效应提供了一种普适性方法,为构筑高效塑料回收提供理论指导及实验参考.

TiO_(2)催化剂改性方法对光热催化麻疯树籽油制备生物燃油的影响

为改善TiO_(2)在光热催化过程中催化效率不高及回收困难等问题,分别使用固体分散法和溶胶凝胶法将TiO_(2)与HZSM-5分子筛结合,并负载活性金属Pt制备Pt/TiO_(2)-HZSM-5催化剂,对两种催化剂进行X射线衍射(XRD)、N_(2)吸附-脱附、高分辨率透射电镜(HRTEM)、紫外-可见光(UV-Vis)、X射线荧光(XRF)及吡啶-红外(Py-IR)表征,并用于光热催化麻疯树籽油加氢制备生物燃油中,考察两种改性催化剂的催化效果。结果表明:两种制备方法均可使TiO_(2)成功分散在HZSM-5分子筛表面,TiO_(2)的比表面积增加,HZSM-5分子筛孔容和孔径改变;改性后的催化剂衍射峰出现明显红移,对可见光的吸收能力提高,酸性位点增加;相比溶胶凝胶法,固体分散法制备的Pt/TiO_(2)-HZSM-5活性金属Pt分散度较好且无团聚现象,粒径更小,催化性能更优;在反应温度100℃、氢压0.4 MPa、反应时间12 h条件下,使用固体分散法制备的Pt/TiO_(2)-HZSM-5光热催化麻疯树籽油制备生物燃油的原料转化率达93.20%、C_(8)~C_(17)烷烃选择性达54.92%,该催化剂的重复利用实验结果表明,催化剂再生后C_(8)~C_(17)烷烃选择性随着再生次数的增加而下降,可再生能力有待加强。

CO_(2)光热催化还原材料的进展

光热催化还原CO_(2)作为符合国家“双碳”政策的减碳技术,将温室气体CO_(2)转化为重要的化学燃料和工业原料有望促进“双碳”目标早日实现。光热催化还原CO_(2)利用表面等离子体共振将光能转化为热能,或通过将光能和热能耦合,从而提高太阳光利用率,来催化CO_(2)在较为温和的条件下高效转化为碳氢燃料或工业原料,因而受到碳捕获与转化领域研究人员的高度关注。对目前光热催化还原CO_(2)的研究进展进行了综述,介绍了设计用于CO_(2)转化反应的光热催化剂的最新进展,包括CO_(2)加氢生成CO、CH_(4)、CH_(3)OH或C^(2+)、CH_(4)的CO_(2)重整(CRM)、CO_(2)环加成反应等,最后分析了现阶段光热催化还原CO_(2)催化剂的制约因素,并对其发展前景以及面临的挑战进行了展望。

光热催化在二氧化碳还原反应中的原理,材料和应用

碳元素消耗导致了大量的CO_(2)排放,这引起了人们的广泛关注。发展可再生能源和减少CO_(2)排放的技术已成为世界上最迫切需要解决的问题之一。其中,太阳能作为地球上最理想的清洁能源,已成为当前研究的热点。如果可以利用太阳能将CO_(2)转化为有价值的碳基化学品,以上两个问题可以同时解决。光催化法和热催化法在CO_(2)还原中的应用已有许多报道。但关于光热催化还原二氧化碳的研究较少。本文综述了光热催化在CO_(2)还原中的研究现状,介绍了光热催化的概念和原理,催化剂的分类(新型炭材料、氧化物材料、金属硫化物材料、MOF材料、层状双氢氧化物材料)和催化剂的改性,以及其在CO_(2)还原方面的应用。最后,本文对催化剂的发展趋势进行了预测。因此,合理开发碳基化学品可以减少传统能源的消耗、碳排放,实现碳的循环利用。

金属催化剂光热催化CO_(2)还原的研究进展

CO_(2)的过量排放导致温室效应对环境的影响越来越严重,通过电催化、光催化、热催化、光热催化或光电催化将CO_(2)还原成高附加值的化学品是解决CO_(2)排放的有效途径.其中, CO_(2)的光热催化转化是当前的主要研究领域之一.我们对光热催化进行了总结分类:热助光、光助热、光驱热和光热协同催化,并详细介绍相应的催化机理,总结了金属催化剂用于光热催化CO_(2)还原的最新研究进展,最后提出了光热催化面临的挑战与展望.

缺陷态Bi_(2)MoO_(6)光热催化CO_(2)和H_(2)O还原成CO的性能

在不同温度下采用乙二醇溶剂热合成法合成Bi_(2)MoO_(6)催化剂(BMO-x,x=140、160、180),BMO-160在450℃下煅烧的样品为BMO。用XRD、BET、SEM、EDS、UV-vis DRS、XPS、in-situ DRIFTS等表征方法研究其理化特性,建立BMO和BMO-x(x=140、160、180)催化剂的反应性能与孔道结构、材料形貌和缺陷空位的构效关系。结果表明,适宜的溶剂合成温度可以形成更高的孔隙率,调控氧空位的占比,有助于产生更好的催化性能。其中,BMO-160的CO产率更高,这是由于在160℃溶剂热合成温度下制备的样品形貌更优,氧空位占比适中。

Ru负载复合半导体光热催化H_(2)O还原CO_(2)

光热催化H_(2)O还原CO_(2)有望成为实现太阳能综合高效利用的有效手段,但常规热稳定性良好的半导体催化剂表面光热催化H_(2)O还原CO_(2)转化的产率和能量转化效率低。本文采用液相水解法对二氧化钛改性,制备得到复合纳米光热催化剂,并对其进行Ru负载,通过构建复合半导体和负载等离激元金属等改性手段,提高了光热催化剂性能和反应碳选择性。采用改性后的复合催化剂材料在模拟太阳光源照射下进行CO_(2)和H_(2)O光热催化实验,成功制备了CO、H_(2)、CH_(4)等高附加值的气体燃料。结果表明:CO_(2)转化反应的碳选择性提高至原来的4.06倍。

基于单原子催化剂的光热催化转化:原理和应用

在以碳中和为目标的全球共识下,太阳能作为一种取之不竭用之不尽的绿色环保能源被认为是替代传统化石燃料最有潜力的方式。在各种太阳能转换技术中,光热催化不仅可以最大化利用太阳能,在光场和热场双重驱动力作用下,还可以显著提升化学反应速率,引起广泛的研究兴趣。以孤立的单个原子均匀分散在载体上形成的单原子催化剂具有100%原子利用率、优异的催化活性、热稳定性等优势。因此,将单原子催化剂应用于光热催化开始受到越来越多的关注。本综述介绍了光催化、热催化和光热催化的基本原理和特征,同时列举一些典型的例子。随后以不同载体作为分类标准,总结了单原子光热催化应用的前沿研究进展。最后,提出了该催化体系所面临的挑战和未来的发展方向。本文旨在全面了解单原子催化剂在太阳能驱动光热催化领域的研究现状并为未来发展提供可行的建议。

光热催化二氧化碳还原合成高附加值化学品的研究进展

由于能源的大量消耗以及“碳中和、碳达峰”目标的提出,将CO_(2)转化为CO、CH_(4)以及C 2+等高附加值化学品成为研究热点。光热协同是一种新兴的催化技术,可以有效结合热催化反应速率高以及光催化能耗低的优点,通过光热催化CO_(2)合成高附加值化学品具有重要的应用价值。本文重点归纳了光热催化CO_(2)转化的机理以及光热催化材料的研究现状,并对光热催化CO_(2)还原体系(催化剂改性、产物选择性提升等方面)的发展进行了总结和展望,为开发高效稳定的光热催化材料以及光热协同技术在能源和环境领域的应用提供了思路与指导。

Cu_(x)O/Bi/Bi_(2)WO_(6)/BiOCl光热催化降解甲苯

合成了具有紧密界面的Ⅱ型与Z型复合异质结光热催化剂Cu_(x)O/Bi/Bi_(2)WO_(6)/BiOCl.结果表明,基于多组分复合异质结上组分Bi纳米颗粒的表面等离子体共振效应、独特的多通道光生电荷传递与分离路径和适宜的用于产生活性自由基的氧化还原电位,Cu_(x)O/Bi/Bi_(2)WO_(6)/BiOCl展现出宽光响应范围、强光吸收、高效光生电荷分离性能和光热协同产含氧活性基团的性能、优异的光热协同催化净化甲苯的性能.在90℃加热耦合光(300mW/cm^(2),λ=200~2500nm)照射下,Cu_(x)O/Bi/Bi_(2)WO_(6)/BiOCl可在0.5h将甲苯气(0.0005%)完全矿化,优于相近条件下文献报道的结果.

高压下TiSi_2可见光光热催化分解水制氢的研究

系统地研究了高压下一系列TiSi2催化剂的可见光光热催化分解水制氢行为。研究结果表明,压力增加显著提高了TiSi2催化剂光催化分解水制氢速率。添加NaOH和Na2CO3有利于水分解制氢的反应进行,在一定范围内,NaOH和Na2CO3浓度增加,放氢速率增加。研究还发现,担载贵金属Pt或Ru对反应速率没有显著影响。本文还采用UV-vis DRS、XRD、XPS等方法对催化剂进行了表征,结合表征结果对催化剂的构效关系进行了分析,并提出了可能的原因。