CN112221344B - 一种co2催化还原装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能源转化与储存技术领域,尤其涉及一种CO2催化还原装置和方法。本发明的CO2催化还原装置包括摩擦纳米发电机和微等离子体组件;所述微等离子体组件包括放电电极和工作电极板;所述放电电极和工作电极板分别与所述摩擦纳米发电机的两个输出端通过导线连接;所述工作电极板与放电电极相对的一面负载有CO2还原催化剂,本发明的装置可以利用机械能实现低温下CO2分子的催化还原反应。
Description
技术领域
本发明涉及能源转化与储存技术领域,尤其涉及一种CO2催化还原装置和方法。
背景技术
随着人类过渡使用化石资源,导致大量的CO2气体排放,引起严重的环境问题和能源危机。CO2不仅仅是一种重要的温室气体,也是一种取之不尽、用之不竭的碳资源。将其转化为高附加值的化学品和燃料是同时解决能源和环境问题的一种具有前景的途径。由于CO2分子的热力学和动力学惰性,导致其转化需要大量的能量摄入或过量的助剂。从热力学的角度,传统的加热方式断裂CO2,需要在非常苛刻的条件下进行,并且转化率很低。此外,目前热催化转化所需的能量主要通过化石资源的燃烧获得,不能从根本上解决 CO2排放量增加的问题。从理想途径上讲,CO2还原所采用的能源最好来自清洁的、储量丰富的、可再生的能源。
机械能包括风能、水能、海洋能、雨滴能等,是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源,具有为化学反应提供能量来源的潜能,然而目前尚未有采用机械能实现室温下高效还原CO2的先例。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CO2催化还原装置和方法,可以利用机械能实现低温下CO2分子的催化还原反应。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种CO2催化还原装置,包括摩擦纳米发电机和微等离子体组件;所述微等离子体组件包括放电电极和工作电极板;所述放电电极和工作电极板分别与所述摩擦纳米发电机的两个输出端通过导线连接;所述工作电极板与放电电极相对的一面负载有CO2还原催化剂。
优选的,所述摩擦纳米发电机为独立层式、单电极式、平动式或滑动式的摩擦纳米发电机。
优选的,所述放电电极为放电探针或者为放电电极板。
优选的,所述摩擦纳米发电机和微等离子体组件之间还包括整流桥,所述整流桥的两个交流输入端与所述摩擦纳米发电机的两个输出端电连接,所述整流桥的两个直流输出端分别与放电电极和工作电极板电连接。
优选的,所述CO2还原催化剂包括氧化硅、氧化镍、氧化铁、氧化钛、氧化锌、氧化铜、氧化铟、氧化铝、氧化钴、氧化钒、氧化铬、氧化锗、氧化铁、氧化锰、氧化锆、三氧化二铋、氧化钙、氧化铈、钛酸锶、氧化镁、四氧化三钴、氧化镓和钛酸钡中的一种或多种。
优选的,所述CO2还原催化剂的负载量为1~10mg/cm2。
本发明提供了一种CO2催化还原方法,包括以下步骤:将上述方案所述的CO2催化还原装置的微等离子体组件置于含有CO2的环境中,使摩擦纳米发电机工作输出电压,驱动所述微等离子体组件产生微等离子体,所述微等离子体与工作电极板表面的CO2催化剂对CO2进行催化还原。
优选的,所述摩擦纳米发电机的转速大于0rpm且小于等于1000rpm。
优选的,所述微等离子体组件的放电距离大于0mm且小于等于0.25mm。
优选的,所述环境中CO2的体积含量在1%以上。
本发明提供了一种CO2催化还原装置,包括摩擦纳米发电机和微等离子体组件;所述微等离子体组件包括放电电极和工作电极板;所述放电电极和工作电极板分别与所述摩擦纳米发电机的两个输出端通过导线连接;所述工作电极板与放电电极相对的一面负载有CO2还原催化剂。
摩擦纳米发电机可以将机械能转化为电能,本发明利用摩擦纳米发电机产生周期性的电势差,开路电压可以达到2.5kV,远大于CO2放电的阈值电压200V,可以驱动微等离子体组件的放电电极和工作电极板之间的CO2放电,产生微等离子体,微等离子体中含有大量的CO2 +、CO2 -、高能的电子等活性离子,产生的高活性的CO2 -离子在CO2还原催化剂的辅助下发生分解产生CO和O-,残留的氧原子(O-)填满催化剂的氧空位,随后在微等离子体的轰击下,表面的晶格氧被高能的电子轰出,产生氧气,从而在低温下实现 CO2分子的催化还原反应。
附图说明
图1为实施例1的CO2催化还原装置的结构示意图;
图2为微等离子体的形成过程示意图;
图3为实施例1的放电电流和电压曲线图;
图4为不同摩擦纳米发电机转速下的CO2催化还原结果图;
图5为不同放电距离的CO2催化还原结果图;
图6为不同催化剂的CO2催化还原结果图。
具体实施方式
本发明提供了一种CO2催化还原装置,包括摩擦纳米发电机和微等离子体组件;所述微等离子体组件包括放电电极和工作电极板;所述放电电极和工作电极板分别与所述摩擦纳米发电机的两个输出端通过导线连接;所述工作电极板与放电电极相对的一面负载有CO2还原催化剂。
本发明提供的CO2催化还原装置包括摩擦纳米发电机,在本发明中,所述摩擦纳米发电机可以将机械能转化为电能,驱动微等离子体组件产生微等离子体。
本发明对所述摩擦纳米发电机没有特殊的限定,采用本领域熟知的摩擦纳米发电机即可。在本发明的实施例中,所述摩擦纳米发电机的两个摩擦层的材质分别为铜和聚四氟乙烯,铜摩擦层的两端分别通过导线与微等离子体组件的放电电极和工作电极板连接。在本发明中,所述摩擦纳米发电机输出的为交流电。
本发明提供的CO2催化还原装置包括微等离子体组件。在本发明中,所述微等离子体组件包括放电电极和工作电极板,所述放电电极和工作电极板分别与所述摩擦纳米发电机的两个输出端通过导线连接。
在本发明中,所述放电电极优选为放电探针或者为放电电极板,当所述放电电极为放电探针时,所述微等离子体组件的放电模式为针-板放电;当所述放电电极为放电电极板时,所述微等离子体组件的放电模式为板-板放电。当采用针-板放电模式时,所述放电探针的曲率半径优选为1~10微米,更优选为2~8微米,进一步优选为3~7微米。本发明对所述放电电极和工作电极板的材质没有特殊要求,本领域熟知的材质均可。本发明对所述工作电极板的尺寸没有特殊要求,本领域熟知的尺寸均可。在本发明的实施例中,具体采用的为针-板放电模式,放电探针为钨针,工作电极板为ITO电极板。
图2为微等离子体的形成过程示意图。如图2所示,当微等离子体组件的放电电极和工作电极板之间的电场大于CO2的阈值电场时,放电电极附近的电子会在电场中加速碰撞二氧化碳气体分子,形成电子雪崩效应,在放电过程中形成微等离子体,微等离子体中含有大量的CO2 +、CO2 -、高能的电子等活性离子。
在本发明中,所述工作电极板与放电电极相对的一面负载有CO2还原催化剂,在本发明中,所述CO2还原催化剂优选包括氧化硅、氧化镍、氧化铁、氧化钛、氧化锌、氧化铜、氧化铟、氧化铝、氧化钴、氧化钒、氧化铬、氧化锗、氧化铁、氧化锰、氧化锆、三氧化二铋、氧化钙、氧化铈、钛酸锶、氧化镁、四氧化三钴、氧化镓和钛酸钡中的一种或多种,更优选为氧化镓、钛酸钡、氧化铟或氧化钛。在本发明中,所述氧化钛优选为P25。本发明对 CO2还原催化剂的来源没有特殊要求,采用本领域熟知的市售产品即可。在本发明中,所述CO2还原催化剂的负载量优选为1~10mg/cm2,更优选为 2~8mg/cm2,进一步优选为3~7mg/cm2。在本发明中,微等离子体与CO2还原催化剂协同作用,实现了CO2的还原。
本发明优选将CO2还原催化剂涂覆到工作电极板的表面以实现CO2还原催化剂的负载。
作为本发明的一个实施例,在所述摩擦纳米发电机和微等离子体组件之间还包括整流桥,所述整流桥的两个交流输入端与所述摩擦纳米发电机的两个输出端电连接,所述整流桥的两个直流输出端分别与放电电极和工作电极板电连接。本发明对所述整流桥没有特殊的限定,采用本领域熟知的整流桥即可。在本发明中,所述整流桥的作用是将摩擦纳米发电机输出的交流电转化为直流电。
本发明提供了一种基于上述方案所述装置催化CO2还原的方法,包括以下步骤:将所述装置的微等离子体组件置于含有CO2的环境中,使摩擦纳米发电机工作输出电压,驱动所述微等离子体组件产生微等离子体,所述微等离子体与工作电极板表面的CO2催化剂对CO2进行催化还原。
在本发明中,所述环境中CO2的体积含量优选在1%以上。本发明优选将微等离子体组件置于一个密闭容器中,向密闭容器中充入CO2,得到含有CO2的环境。
在本发明中,所述摩擦纳米发电机的转速优选大于0rpm且小于等于 1000rpm,更优选为200~1000rpm,最优选为300~500rpm。在本发明中,当所述摩擦纳米发电机的转速为300~500rpm时,可以加速CO2还原的速率。
在本发明中,所述微等离子体组件的放电距离(即放电电极到工作电极板之间的距离)优选大于0mm且小于等于0.25mm,更优选为0.15mm。
在本发明中,当所述摩擦纳米发电机和微等离子体之间还包括整流桥时,整流桥可以将摩擦纳米发电机的产生的交流电转化为直流电驱动微等离子体组件产生微等离子体。也即,本发明的微等离子体组件可以为交流电驱动,也可以为直流电驱动。
下面结合实施例对本发明提供的机械能驱动的微等离子体催化CO2还原的装置和方法进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
采用图1所示的装置对CO2进行催化还原,其中,摩擦纳米发电机包括两个摩擦层,分别为铜摩擦层和PTFE摩擦层,在铜摩擦层的两端连接两个输出电极,两个输出电极通过导线分别连接整流桥的两个交流输入端,整流桥的两个直流输出端通过导线与微等离子体组件的钨针(曲率半径为5微米) 和工作电极板(材质为ITO)相连,工作电极板与钨针相对的一面负载有 CO2还原催化剂为TiO2,负载量为8mg/cm2。
将微等离子体组件置于500mL密闭容器中,向其中通入CO2,使CO2全部置换容器内的气体(即体积含量为100%),打开摩擦纳米发电机,转速为200rpm,产生交流放电,经整流桥转化为直流电,图3为放电电流和电压曲线,驱动微等离子体组件产生微等离子体,放电距离为0.15mm,常温常压下催化CO2还原为CO和O2。利用CO气敏检测器检测产生的CO的含量,反应时间为1h。
实施例2~5
与实施例1的不同之处在于,摩擦纳米发电机的转速分别为100rpm、 300rpm、400rpm和500rpm,利用CO气敏检测器检测产生的CO的含量,反应时间为1h,与实施例1的结果一起见图4,对应的具体数值见表1。
对比例1
与实施例1的不同之处在于,摩擦纳米发电机的转速为0。
表1实施例1~5及对比例1的CO2还原结果
由图4和表1的结果可知,反应的活性随着转速的增加先增加,到达一定的转速后维持稳定。
实施例6~9
采用实施例1的装置和方法对CO2进行催化还原,设置放电距离依次为 0.02mm、0.10mm、0.15mm和0.25mm,每隔1h检测产生的CO的含量,共反应6h。
对比例2~3
与实施例6~9的不同之处在于放电距离分别为0.00mm和0.40mm,每隔1h检测产生的CO的含量,共反应6h。对比例2~3与实施例6~9的结果一起见图5。
由图5可知,随着放电距离的增大,CO2还原的活性先增加,然后降低,当放电距离为0.02~0.25mm时,可催化CO2还原,在0.15mm处获得最优的催化活性。
实施例10~23
采用实施例1的装置和方法对CO2进行催化还原,不同之处在于工作电极板为Pt板以及催化剂的种类,实施例10~23采用的催化剂依次为:三氧化二铋、氧化硅、氧化钙、氧化锌、氧化铈、钛酸锶、氧化锆、氧化铟、氧化锰、氧化镁、四氧化三钴、P25(二氧化钛)、钛酸钡和氧化镓。具体的结果见图6。
对比例4
与实施例10~23的不同之处在于不采用催化剂,具体的结果见图6。
由图6可知,本发明的催化剂均显示比较好的CO2还原活性,尤其是 P25、钛酸钡和氧化镓的催化活性更好,而不使用催化剂时基本上无CO2还原活性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种CO2催化还原方法,其特征在于,包括以下步骤:将CO2催化还原装置的微等离子体组件置于含有CO2的环境中,使摩擦纳米发电机工作输出电压,驱动所述微等离子体组件产生微等离子体,所述微等离子体与工作电极板表面的CO2催化剂对CO2进行催化还原;
所述CO2催化还原装置,包括摩擦纳米发电机和微等离子体组件;所述微等离子体组件包括放电电极和工作电极板;所述放电电极和工作电极板分别与所述摩擦纳米发电机的两个输出端通过导线连接;所述工作电极板与放电电极相对的一面负载有CO2还原催化剂;
所述CO2还原催化剂包括氧化硅、氧化镍、氧化铁、氧化钛、氧化锌、氧化铜、氧化铟、氧化铝、氧化钴、氧化钒、氧化铬、氧化锗、氧化铁、氧化锰、氧化锆、三氧化二铋、氧化钙、氧化铈、钛酸锶、氧化镁、四氧化三钴、氧化镓和钛酸钡中的一种或多种;
所述微等离子体组件的放电距离大于0mm且小于等于0.25mm。
2.根据权利要求1所述的CO2催化还原方法,其特征在于,所述摩擦纳米发电机为独立层式、单电极式、平动式或滑动式的摩擦纳米发电机。
3.根据权利要求1所述的CO2催化还原方法,其特征在于,所述放电电极为放电探针或者为放电电极板。
4.根据权利要求1所述的CO2催化还原方法,其特征在于,所述摩擦纳米发电机和微等离子体组件之间还包括整流桥,所述整流桥的两个交流输入端与所述摩擦纳米发电机的两个输出端电连接,所述整流桥的两个直流输出端分别与放电电极和工作电极板电连接。
5.根据权利要求1所述的CO2催化还原方法,其特征在于,所述CO2还原催化剂的负载量为1~10mg/cm2。
6.根据权利要求1所述的CO2催化还原方法,其特征在于,所述摩擦纳米发电机的转速大于0rpm且小于等于1000rpm。
7.根据权利要求1所述的CO2催化还原方法,其特征在于,所述环境中CO2的体积含量在1%以上。
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