弱光驱动高温光热催化的研究与应用

发布时间：2021-02-21 04:08

　　催化反应在化学工业中扮演着不可替代的角色。人类活动中大约90%的化学品生产过程与催化过程有关。然而,大量的化石燃料和二次能源消耗是催化反应的核心问题之一。利用太阳能驱动催化反应,是缓解能源需求的最可行和最经济的解决方案。近年来,国内外科研人员已经开发出多种太阳能驱动催化方式,包括光催化、光电、等离子体催化、光热催化。其中,光热催化是一个新兴的热门研究课题。但是,由于室外太阳光密度较低,催化剂不能达到足够的高温,进而使得大部分催化反应不能被自然光驱动。本课题组前期开发的新型光热器件可以有效地提升弱光利用率,进而提高了催化剂的弱光辐照温度。基于此,我们开发了高效催化剂与新型光热器件结合进行弱光驱动的光热催化,探索了新型光热系统在环境和能源领域的应用。本文主要的研究内容和结论如下:1.根据选择吸光原理构建了新型光热器件,并与真空隔热结合去构建新的光热转换系统。新型光热器件实现了低热辐射、低热传导、高效太阳光吸收的协同,使得太阳光能够高效转换为热能。并将热能限域在光热器件内部,产生高温去加热催化剂,最终实现标准太阳光辐照下的催化剂温度超过285℃,从而进行无二次能源输入的弱光辐照光热催化。2.... 

【文章来源】：河北大学河北省

【文章页数】：61 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

（a）水分解装置原理图（b）钙钛矿太阳能电池与电催化剂串联光伏系统示意图

河北大学硕士学位论文4阳能到氢气的效率为12.3%[28]。2019年，罗景山教授和MichaelGrtzel教授[29]等人制备了碳化钛（TiC）纳米线支撑的铂（Pt）纳米团簇催化剂用于析氢反应，结合镍铁双氢氧化物（NiFe-LDH）析氧反应催化剂，由成本较低的单片钙钛矿/硅叠层太阳能电池来驱动水分解，在一个太阳辐照下实现了18.7%的太阳能到氢能（STH）的转换效率。这为太阳能转换提供了一个令人兴奋的途径。但是，光电催化的核心问题是太阳能电池和催化剂的成本问题。1.3.3等离子体辅助催化具有较宽的光吸收范围的等离子体金属(金、银、铜等)纳米晶体在光的作用下，可以被激发产生高能电子，即热电子。表面等离子激发所产生的热电子提高了催化剂的催化活性。目前等离子体催化研究处于起步阶段，但在未来很有可能取得突破，具有很大的发展可能性。图1-2反应示意图2018年康奈尔大学的陈鹏教授及其团队利用相关超分辨和电子显微镜技术对金和银等离子体纳米结构进行研究。研究发现，表面等离子体增强的反应活性具有空间局域性，在纳米粒子的间隙区域，催化反应的活性最高。经模拟计算分析，催化增强与局部实际光强成二次比例，可以确定催化活性的提高依赖于表面等离子激发所产生的热电子。2019年中国科技大学熊宇杰团队发表了表面等离子体在温和条件下通过离解机制在纯水中固氮的文章[31]。该文章证明了AuRu纳米结构的表面等离子体可以在温和的条件下(室温、低压、纯水和入射光)通过解离机制有效地驱动N2的还原。将等离子体AuRu光吸收和催化活性位点的结合，加速了N2的活化和加氢，氨生成率为101.4μmolg-1h-1。在光的辐照下，表面等离子体可能涉及强的局部电尝催化剂和N2界面的直接激发以

第一章绪论5及热电子转移。因为等离子体催化剂主要为贵金属，所以催化剂的低丰度和高成本是等离子体催化的关键问题。1.3.4光热催化光热催化简单来说是在光诱导材料产生热达到反映所需温度，或在光生载流子可以与热效应协同催化的一种新兴催化方法。光热催化是催化领域的一个热门研究课题，光热催化的研究主要集中在污染物消除[32]，CO2还原[33,34]等。近年来，光热催化已被证明是传统热催化的一种潜在替代方法。图1-3反应示意图通过太阳光辐照催化剂，特别是黑色催化剂，太阳光能够被催化剂吸收转换为热能（光热效应），从而去提升催化剂的温度和获得光生载流子[35]。清华大学张彭义教授[32]利用石墨烯表面光热效应来改善金属氧化物的催化活性。这篇论文中，他们将石墨烯与二氧化锰复合(MnO2-G)，复合后材料不但具有优异的光热转换特性，而且对甲醛的氧化效率高于单一的MnO2或石墨烯。其中，MnO2为甲醛氧化提供了反应活性位点，石墨烯将光能转化为热能并通过与MnO2的接触界面将热能传递给MnO2，使MnO2温度升高，实现MnO2长效催化分解甲醛（如图1-3）。


本文编号：3043822