光催化還原CO2光微流反應(yīng)器中傳質(zhì)與轉(zhuǎn)化特性.pdf

1、光催化還原 CO2是同時(shí)解決環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)的有效途徑之一。然而，目前 CO2還原反應(yīng)器普遍存在比表面積低、光分布不均勻和光子利用率低等問(wèn)題。近年來(lái)，光學(xué)和微流控技術(shù)相融合形成了一門(mén)新興交叉學(xué)科——光微流體技術(shù)，具有比表面積大、傳熱傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn)。利用光催化還原 CO2生成甲醇同樣具有光微流體技術(shù)的特點(diǎn)，即光、流體及其相互作用，因此將光微流體技術(shù)應(yīng)用到光催化還原CO2并獲取能源類(lèi)物質(zhì)具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　本論文基于光微流技

2、術(shù)，設(shè)計(jì)和制造新型的光微流反應(yīng)器用于光催化還原CO2生成甲醇，并研究其中的傳質(zhì)和轉(zhuǎn)化特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該類(lèi)型反應(yīng)器的甲醇得率高于大多數(shù)已有文獻(xiàn)的報(bào)道，最高甲醇得率可達(dá)1022.0μmole/g-cat·h。主要研究結(jié)果如下：
　　①平板式光微流反應(yīng)器
　　平板式微反應(yīng)器具有更高的受光面積，光子利用率高的優(yōu)勢(shì)，因此本文首先開(kāi)發(fā)了平板式光微流反應(yīng)器。將光催化劑TiO2噴涂于載玻片上并高溫焙燒，形成1 cm×2 cm=2 cm2

3、的有效反應(yīng)面積；通過(guò)光刻技術(shù)加工了PDMS微反應(yīng)腔室，二者組裝成平板式光微流反應(yīng)器。以365 nm紫外光為激發(fā)光源，CO2溶液為反應(yīng)工質(zhì)，研究了光強(qiáng)、流速、催化劑載量和 NaOH濃度等參數(shù)對(duì)反應(yīng)器性能的影響規(guī)律。研究表明，隨著光強(qiáng)和NaOH濃度的增大，出口甲醇濃度和甲醇得率均增加；流速增大會(huì)使出口甲醇濃度先增大再減小，但甲醇得率則持續(xù)增大；催化劑載量的增大則會(huì)使出口甲醇濃度和甲醇得率均先增大再減小。
　?、谀な焦馕⒘鞣磻?yīng)器

4、　　由于 CO2在水中的溶解度較低，CO2極易從水中析出以氣泡形式存在，這不但降低了 CO2的傳質(zhì)速率還會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器運(yùn)行的不穩(wěn)定。針對(duì)此問(wèn)題，本文結(jié)合膜技術(shù)和光微流體技術(shù)提出了膜式光微流反應(yīng)器，它由液相腔室，催化膜和氣相腔室組成。催化膜的制備是將TiO2噴涂在碳紙一側(cè)，高溫焙燒后在另一側(cè)用PTFE對(duì)碳紙進(jìn)行憎水處理。催化膜將水和 CO2分隔開(kāi)，不僅有效地解決微反應(yīng)器內(nèi)的氣泡問(wèn)題，同時(shí)避免了氣液界面的液膜傳質(zhì)阻力。研究了光強(qiáng)、流速、催化劑

5、載量和 NaOH濃度等參數(shù)對(duì)反應(yīng)器性能的影響。發(fā)現(xiàn)出口甲醇濃度隨著液體流量的增大而減小，而甲醇得率先增大后減?。怀隹诩状紳舛群图状嫉寐孰S著光強(qiáng)和NaOH濃度的增大而增大；而隨著催化劑載量的增加，出口甲醇濃度和甲醇得率均先增大后減小。
　　③可見(jiàn)光響應(yīng)膜式光微流反應(yīng)器
　　單純的光催化劑TiO2僅對(duì)387.5 nm波長(zhǎng)以下的紫外光響應(yīng)，而太陽(yáng)光中紫外光僅占3-5％，因此單純地使用TiO2無(wú)法滿足太陽(yáng)能的高效利用。本文制備了具有

6、可見(jiàn)光響應(yīng)的CdS/TiO2催化劑，將其應(yīng)用在膜式光微流反應(yīng)器中，以氙燈為模擬太陽(yáng)光源，實(shí)現(xiàn)了在可見(jiàn)光響應(yīng)下光催化還原 CO2，并研究了液相流速、光強(qiáng)、NaOH濃度等參數(shù)對(duì)反應(yīng)器性能的影響。結(jié)果表明該反應(yīng)器對(duì)可見(jiàn)光具有良好的響應(yīng)特性；液相流速的增大導(dǎo)致甲醇出口濃度和甲醇得率均先增大后降低；二者隨著光強(qiáng)和NaOH濃度的增大均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。
　?、芙榭捉Y(jié)構(gòu)可見(jiàn)光響應(yīng)膜式光微流反應(yīng)器
　　已有研究表明，介孔結(jié)構(gòu)的催化劑具有相對(duì)更

7、高的比表面積，能提高催化反應(yīng)速率的同時(shí)強(qiáng)化物質(zhì)的傳輸。因此，為了進(jìn)一步提高可見(jiàn)光響應(yīng)膜式光微流反應(yīng)器的性能，本文制備了具有介孔結(jié)構(gòu)可見(jiàn)光響應(yīng)的CdS/TiO2/SBA-15光催化劑，并將催化劑噴涂在碳紙上形成了CdS/TiO2/SBA-15復(fù)合催化膜。通過(guò)UV-Vis、TEM、BET手段對(duì) CdS-TiO2/SBA-15進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：TiO2顆粒均勻的分散在SBA-15的介孔結(jié)構(gòu)內(nèi)，且孔徑分布更加均勻。重點(diǎn)研究了液相流速、光強(qiáng)和