聚光太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)二氧化碳甲烷化實(shí)驗(yàn)研究

孫帆,辛宇,邢學(xué)利,洪慧,婁佳慧

(1. 西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安; 2. 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所,100190,北京; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)航空宇航學(xué)院,100049,北京)

二氧化碳(CO2)作為主要的溫室氣體,是引起全球變暖和氣候變化的主要原因之一。根據(jù)國(guó)際能源署發(fā)布的“CO2Emissions in 2022”中的數(shù)據(jù),2022年中國(guó)CO2排放已達(dá)到121億t,約占全球CO2排放總量的30%[1]。為積極應(yīng)對(duì)CO2的排放所引起的氣候變化,亟待發(fā)展綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展方案。每年到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能約相當(dāng)于130萬(wàn)億t標(biāo)準(zhǔn)煤,利用太陽(yáng)能將CO2轉(zhuǎn)化為燃料,實(shí)現(xiàn)資源化利用,是一種有前景的途徑[2]。這一過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)CO2的減排,同時(shí)將太陽(yáng)能以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存,有望緩解能源需求。

近年來(lái),我國(guó)西北地區(qū)高能耗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致該地區(qū)的碳排放顯著高于其他地區(qū)[3],西北地區(qū)作為我國(guó)風(fēng)能和太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)之一,為可再生能源驅(qū)動(dòng)CO2資源化利用提供了理想的條件。在西北地區(qū)可以通過(guò)就地捕集化石燃料燃燒所產(chǎn)生的CO2,利用風(fēng)能或太陽(yáng)能發(fā)電驅(qū)動(dòng)電解水制氫,然后通過(guò)聚光太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)CO2甲烷化反應(yīng)(ΔH是化學(xué)反應(yīng)焓變),反應(yīng)式如下

CO2+4H2→CH4+2H2O; ΔH=-165 kJ/mol

(1)

最終將產(chǎn)物中的甲烷分離后輸入天然氣管網(wǎng)進(jìn)行利用。此外,有研究表明,在太陽(yáng)能資源豐富且CO2排放較高的地區(qū),上述過(guò)程在經(jīng)濟(jì)性上具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力[4]。目前,我國(guó)在蘭州建成了全球首套千噸級(jí)液態(tài)太陽(yáng)能燃料合成示范項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為燃料化學(xué)能的重要突破。

基于光熱轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的CO2甲烷化,即光熱協(xié)同催化CO2甲烷化,最早由葉金花等[5]于2014年提出,且逐漸成為研究熱點(diǎn)[6]。光熱催化與傳統(tǒng)光催化過(guò)程相比,能夠顯著提高反應(yīng)速率和產(chǎn)物選擇性。與傳統(tǒng)熱催化過(guò)程相比,光熱催化過(guò)程又能有效地降低反應(yīng)活化能并降低反應(yīng)溫度。盡管在上述領(lǐng)域已開(kāi)展了大量研究工作,但聚光光熱催化過(guò)程中的聚光作用機(jī)理仍不清晰[7-9]。因此,仍需結(jié)合原位時(shí)間分辨的表征手段進(jìn)一步揭示。

本文采用在太陽(yáng)能全光譜范圍內(nèi)具有優(yōu)異光吸收特性和光熱轉(zhuǎn)換能力的Ni/Al2O3光熱催化劑,開(kāi)展了聚光光熱和熱驅(qū)動(dòng)的CO2甲烷化實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)表觀活化能測(cè)試、溫度梯度實(shí)驗(yàn)及時(shí)間分辨的原位漫反射紅外實(shí)驗(yàn),研究了聚光在反應(yīng)過(guò)程中的作用機(jī)制,揭示了光熱催化CO2甲烷化的反應(yīng)機(jī)理。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由質(zhì)量流量計(jì)、熱電偶、石英玻璃管、Agilent Mirco 490型號(hào)氣相色譜儀、300 W氙燈及加熱爐組成,如圖1所示。該系統(tǒng)可開(kāi)展聚光光熱(下文簡(jiǎn)稱光熱)和熱驅(qū)動(dòng)的CO2甲烷化實(shí)驗(yàn)研究。玻璃反應(yīng)管長(zhǎng)度約為30 cm,為便于光照,中間區(qū)域設(shè)計(jì)為1 cm×1 cm×0.3 cm的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)作為反應(yīng)段,用于填充催化劑。實(shí)驗(yàn)中,在催化劑床層中間區(qū)域插入K型熱電偶以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)溫度。入口氣體流量由質(zhì)量流量計(jì)控制,并通過(guò)四通連接件進(jìn)入玻璃反應(yīng)管,出口氣體經(jīng)裝有無(wú)水氯化鈣的干燥管后由氣袋收集,并使用氣相色譜儀分析產(chǎn)物。氙燈配備全光譜反射片和凸透鏡以實(shí)現(xiàn)聚光(2～30個(gè)聚光比),通過(guò)調(diào)節(jié)聚光比控制催化劑床層溫度在250～450℃。采用平板式設(shè)計(jì)加熱爐,通過(guò)比例積分微分(PID)控制器調(diào)節(jié)催化劑床層溫度。

圖1 本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system in this study

1.2 樣品制備

本文采用濕浸漬法,合成了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ni負(fù)載的商用γ-Al2O3催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。具體合成步驟如下:配置一定濃度的Ni(NO)3水溶液,取5 g γ-Al2O3于上述溶液中,充分混合并超聲處理1 h直至形成均勻分散的溶液,隨后置于恒溫烘箱中在130℃下干燥過(guò)夜。將得到的固體粉末充分研磨后置于馬弗爐中在350℃下煅燒2 h,得到NiO/Al2O3材料。最后,將上述材料置于管式爐中,并在H2體積分?jǐn)?shù)為15%的H2/Ar混合氣體中、以10℃/min的速率升溫至550℃,還原2 h以獲得黑色的Ni/Al2O3材料。采用上述方法分別制備了w(Ni)為5%、10%、15%和20%的Ni/Al2O3材料。

1.3 樣品表征

本文采用Rigaku SmartLab 9 kW X射線衍射儀(Cu kα射線,40 kV,200 mA),分析樣品結(jié)晶的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。采用Agilent Carry 7000 紫外可見(jiàn)紅外分光光度計(jì),在200～2 500 nm范圍內(nèi)測(cè)試樣品的光吸收特性,使用漫反射積分球進(jìn)行固體粉末樣品測(cè)定,用BaSO4作為光譜參比物質(zhì)。采用Micromeritics ASAP 2020 plus型號(hào)比表面積測(cè)試儀,測(cè)定樣品比表面積及孔徑分布。采用Agilent ICPOES730型號(hào)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀,測(cè)定樣品中Ni的實(shí)際含量。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

在光熱和熱驅(qū)動(dòng)條件下,分別對(duì)所制備的光熱催化劑的CO2甲烷化性能進(jìn)行了評(píng)價(jià),具體實(shí)驗(yàn)流程如下:首先,將少量石英棉置于反應(yīng)段一側(cè),以防止材料移動(dòng),為緊密填充反應(yīng)段,稱取200 mg樣品進(jìn)行裝填。反應(yīng)前,通入30 mL/min的N2吹掃,隨后打開(kāi)氙燈對(duì)床層區(qū)域進(jìn)行光照;待溫度達(dá)到250℃后,切換氣體為10 mL/min N2和20 mL/min H2再次對(duì)材料進(jìn)行還原處理5 min;隨后切換氣體為5 mL/min N2、5 mL/min CO2和20 mL/min H2進(jìn)行反應(yīng);溫度穩(wěn)定后每5 min收集一次反應(yīng)器出口氣體并進(jìn)行檢測(cè),每個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)試30 min。調(diào)節(jié)氙燈輸出功率,在250～450℃范圍內(nèi),每25℃為一個(gè)工況點(diǎn),對(duì)樣品的性能進(jìn)行測(cè)試。熱反應(yīng)條件下的實(shí)驗(yàn)流程與聚光光熱條件下的相同,此時(shí)利用加熱爐來(lái)提供反應(yīng)所需要的熱量。

為避免傳熱傳質(zhì)影響活化能測(cè)試的準(zhǔn)確性,在37 500 mL/(g·h)-1的空速下,并控制CO2轉(zhuǎn)化率在20%以下,分別測(cè)試了光熱和熱驅(qū)動(dòng)的表觀活化能,各氣體流量分別為25 mL/min N2,25 mL/min CO2和100 mL/min H2。在250～275℃范圍內(nèi),每5℃一個(gè)溫度點(diǎn),測(cè)試樣品的反應(yīng)性能,以1 000/T為橫坐標(biāo)、ln(r(CH4))為縱坐標(biāo)作圖,其中r(CH4)為甲烷的生成速率,擬合得到的直線斜率即為-Ea/R,其中R的值近似取8.314。

二氧化碳轉(zhuǎn)化率X(CO2)和甲烷選擇性S(CH4)分別通過(guò)以下公式計(jì)算

X(CO2)=[nin(CO2)-nout(CO2)]/nin(CO2)×100%

(2)

S(CH4)=nout(CH4)/[nout(CH4)+nout(CO)]×

100%

(3)

式中:n(CH4)、n(CO)、n(CO2)分別代表出口CH4、CO和CO2的物質(zhì)的量;下標(biāo)in表示進(jìn)口;下標(biāo)out表示出口。

1.5 原位漫反射紅外實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步從微觀角度揭示光對(duì)反應(yīng)路徑的影響,以w(Ni)為15%的Ni/Al2O3為研究對(duì)象,在光熱和熱驅(qū)動(dòng)條件下,分別采集了不同溫度下CO2吸附譜圖、反應(yīng)譜圖以及定溫下的瞬態(tài)譜圖,通過(guò)對(duì)比以探究光的微觀作用機(jī)制。本文采用的紅外光譜儀型號(hào)為Bruker INVENIO S,配備有商用的漫反射附件及原位反應(yīng)池。原位反應(yīng)池的倉(cāng)帽為定制的四視窗結(jié)構(gòu),側(cè)面為3個(gè)間隔為120°的ZnSe視窗,頂部為紫外石英視窗,用于將光垂直照射在樣品表面。典型的實(shí)驗(yàn)流程如下。

首先,將50 mg樣品置于原位池中并壓至表面平整,以30 mL/min的總流量通入H2體積分?jǐn)?shù)為10%的H2/Ar混合氣體,升溫至350℃并保持1 h對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理,降溫時(shí)在純Ar氛圍下持續(xù)吹掃1 h以去除材料表面的吸附物。隨后在Ar氛圍下,以20℃/min由室溫升至450℃,在25、250、300、350、400和450℃時(shí)分別采集背景光譜,隨后降至室溫。以30 mL/min的總流量通入CO2體積分?jǐn)?shù)為1%的CO2/Ar混合氣體,在對(duì)應(yīng)溫度下采集光譜,得到不同溫度下的CO2吸附譜圖。同樣地,以3 mL/min CO2、12 mL/min H2和15 mL/min Ar的流量將反應(yīng)氣體通入原位反應(yīng)池,并在相應(yīng)溫度下采集紅外光譜以得到不同溫度下的反應(yīng)譜圖。在進(jìn)行定溫瞬態(tài)譜圖采集時(shí),首先在Ar氛圍下升溫至350℃采集背景譜圖,以30 mL/min的總流量通入CO2、H2、Ar體積流量比為1∶4∶5的混合氣體,在第1、2、3、5、10、15和20 min時(shí)采集紅外譜圖,隨后切換至H2體積分?jǐn)?shù)為10%的H2/Ar混合氣體,以監(jiān)測(cè)樣品表面吸附CO2的消耗情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征結(jié)果

通過(guò)X射線衍射儀對(duì)不同w(Ni)負(fù)載的樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,如圖2(a)所示。X射線衍射譜圖顯示出了γ-Al2O3和Ni的特征衍射峰,且與標(biāo)準(zhǔn)γ-Al2O3衍射卡片(PDF#50-0741)和標(biāo)準(zhǔn)Ni衍射卡片(PDF#04-0850)對(duì)應(yīng)良好。在2θ角為44.51°、51.85°和76.37°處的衍射峰分別對(duì)應(yīng)于Ni(111)晶面、Ni(200)晶面和Ni(220)晶面,表明樣品中Ni主要以0價(jià)形式存在。從圖中還可以發(fā)現(xiàn),隨著Ni負(fù)載量的增大,對(duì)應(yīng)于Ni的特征峰強(qiáng)度逐漸增大。此外,未發(fā)現(xiàn)其他特征峰的出現(xiàn),表明Ni負(fù)載并未改變Al2O3的晶相。

(a)X射線衍射譜圖

(b)紫外可見(jiàn)漫反射吸收光譜

(c)N2等溫吸附脫附曲線

(d)孔徑分布

樣品的光吸收特性一定程度上決定了其光熱協(xié)同反應(yīng)的性能。由圖2(b)可知,不同w(Ni)負(fù)載的樣品在紫外、可見(jiàn)和紅外區(qū)域均表現(xiàn)出優(yōu)異的光吸收特性,這也是Ⅷ族納米金屬顆粒的典型特征。此外,隨著Ni負(fù)載量的增大,樣品對(duì)光的吸收也逐漸變強(qiáng)。圖2(c)展示了不同樣品在-196℃下記錄的N2等溫吸附脫附曲線,由該曲線計(jì)算得到的不同樣品的BET(Brunauer-Emmett-Teller)比表面積已列于表1。根據(jù)圖2(c)中相對(duì)壓力為0.6以上的滯回曲線表明了樣品中孔的存在,這也是商用γ-Al2O3材料的典型孔隙特征[10],圖2(d)給出了不同樣品中的孔徑分布情況。可以發(fā)現(xiàn),隨著Ni負(fù)載量的增大,樣品的比表面積和孔徑逐漸變小,這是可能是由于Ni納米顆粒與γ-Al2O3載體之間存在較強(qiáng)的相互作用,且負(fù)載后Ni納米顆粒堵塞了樣品中的部分中孔。電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)試結(jié)果指出,樣品中Ni實(shí)際含量與目標(biāo)含量基本一致,如表1所示。

表1 對(duì)催化劑進(jìn)行電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)試和N2吸附特性表征得到的結(jié)果

2.2 二氧化碳甲烷化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文在光熱及熱驅(qū)動(dòng)條件下分別測(cè)試了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ni負(fù)載樣品的CO2甲烷化性能,結(jié)果如圖3所示。當(dāng)Ni的負(fù)載量一定時(shí),隨著反應(yīng)溫度的升高,CO2轉(zhuǎn)化率先增大隨后沿著熱力學(xué)轉(zhuǎn)化極限曲線逐漸下降,CH4選擇性(生成物中CH4的占比)在375℃后逐漸減小。這是因?yàn)?盡管溫度較低時(shí)在熱力學(xué)上有利于甲烷化反應(yīng)的進(jìn)行,但受動(dòng)力學(xué)限制,CO2轉(zhuǎn)化率較低。隨著溫度的升高,動(dòng)力學(xué)得到改善但熱力學(xué)逐漸受限,且會(huì)發(fā)生逆水汽變換副反應(yīng),使得CO2轉(zhuǎn)化率和CH4選擇性都有所下降。在相同的反應(yīng)溫度下,隨著Ni負(fù)載量的增大,CO2轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。w(Ni)為15%的Ni/Al2O3催化劑表現(xiàn)出最佳的反應(yīng)性能,光熱驅(qū)動(dòng)下在350℃時(shí)CO2轉(zhuǎn)化率可達(dá)86.8%。這是由于,隨著負(fù)載量增大,反應(yīng)活性位點(diǎn)逐漸增多,促進(jìn)了CO2的轉(zhuǎn)化。當(dāng)w(Ni)進(jìn)一步增大至20%時(shí),反應(yīng)活性下降,這可能是Ni納米顆粒發(fā)生了團(tuán)聚現(xiàn)象,使得活性位點(diǎn)被堵塞。

(a)w(Ni)為5%

(b)w(Ni)為10%

(c)w(Ni)為15%

(d)w(Ni)為20%

對(duì)比光熱及熱驅(qū)動(dòng)下的反應(yīng)性能可以發(fā)現(xiàn),在350℃以前光熱驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)性能明顯優(yōu)于熱驅(qū)動(dòng)的,并且表現(xiàn)出更高的甲烷選擇性,這表明聚光促進(jìn)了CO2的轉(zhuǎn)化。隨著反應(yīng)溫度升高,兩者的差距逐漸變小,這是因?yàn)樵跍囟容^高時(shí),反應(yīng)動(dòng)力學(xué)得到了改善,光的促進(jìn)作用逐漸被削弱。以上現(xiàn)象也表明聚光對(duì)反應(yīng)的促進(jìn)作用與溫度之間存在一定的制約關(guān)系,值得在后續(xù)工作中進(jìn)一步探究。此外,光熱驅(qū)動(dòng)過(guò)程達(dá)到峰值二氧化碳轉(zhuǎn)化率時(shí)所需要的溫度比熱驅(qū)動(dòng)過(guò)程降低了25℃。因此,相較于傳統(tǒng)熱驅(qū)動(dòng)CO2甲烷化,聚光光熱驅(qū)動(dòng)有降低反應(yīng)溫度的潛力。

圖4 w(Ni)為15%的Ni/Al2O3上光熱與熱驅(qū)動(dòng)的表觀活化能阿雷尼烏斯圖Fig.4 Arrhenius plot of photothermal and thermal-driven process on Ni/Al2O3 with Ni mass fraction of 15%

為揭示光熱及熱驅(qū)動(dòng)下的反應(yīng)活性存在差異的原因,測(cè)試得到了兩者的表觀活化能,擬合曲線的結(jié)果如圖4所示,決定系數(shù)R2均為0.99。可以發(fā)現(xiàn),光熱(74.16 kJ/mol)較熱驅(qū)動(dòng)(92.7 kJ/mol)過(guò)程的表觀活化能降低了約25%,較低的活化能表明光熱過(guò)程更容易激活二氧化碳分子[11],因此該過(guò)程具有更高的反應(yīng)活性。此外,有文獻(xiàn)報(bào)道[12],Ni納米顆粒在全光譜光照下產(chǎn)生的局域表面等離子體共振效應(yīng)所激發(fā)的熱電子也能夠有效的激活CO2,使得催化活性提高。

在熱驅(qū)動(dòng)反應(yīng)中,用平板式的加熱爐提供反應(yīng)所需溫度,材料內(nèi)部溫度分布均勻。在光熱反應(yīng)過(guò)程中,由于光的穿透深度有限,受光面的材料接受光照后吸收光子能量轉(zhuǎn)化為熱能,并通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式使得床層溫度提高,故在光照方向上不可避免地存在著溫度梯度,如圖5(a)所示。其中,T1為床層上表面溫度,T2為床層下表面溫度,Tm為測(cè)量溫度。因此,為研究溫度梯度對(duì)反應(yīng)性能的影響,本文設(shè)計(jì)了單面加熱實(shí)驗(yàn),切斷平板式加熱爐的上側(cè)加熱,僅通過(guò)下側(cè)加熱為反應(yīng)提供熱量,從而在熱驅(qū)動(dòng)條件下使樣品床層在垂直方向上產(chǎn)生溫度梯度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5(b)所示。在w(Ni)為15%的Ni/Al2O3上初步驗(yàn)證了溫度梯度對(duì)于CO2轉(zhuǎn)化的促進(jìn)作用,由于單面加熱功率的限制,本文僅在250℃和275℃下測(cè)試了CO2的轉(zhuǎn)化率,結(jié)果表明,存在溫度梯度后,CO2的轉(zhuǎn)化率有約3%～5%的提升。由圖3可知,在溫度較低時(shí),CO2轉(zhuǎn)化率對(duì)溫度變化較敏感。因此,盡管背光面溫度低且反應(yīng)速率較慢,但受光面反應(yīng)速率更高,從而使得整體的CO2轉(zhuǎn)化率有所提升。Liu等[13-14]研究了光致溫度梯度對(duì)于合成氨過(guò)程的影響,研究結(jié)果表明,由于受光面與背光面存在著的溫度差,其作為“熱泵”可以改變反應(yīng)平衡,使得合成氨速率有了較為可觀的提升。

(a) 光熱誘導(dǎo)溫度梯度的產(chǎn)生示意圖

(b) 均勻加熱與單面加熱條件下的二氧化碳轉(zhuǎn)化率

2.3 光的微觀作用機(jī)理

(a)光熱過(guò)程

(b)熱過(guò)程

中間體,因此光熱驅(qū)動(dòng)下更容易發(fā)生下一步的甲烷化反應(yīng)。以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明,在聚光的作用下,CO2能更容易被激活、解離并以CO*形式吸附于表面活性位點(diǎn),即引入的光能夠改善CO2在材料表面的吸附。

(a)光熱過(guò)程

(b)熱過(guò)程

(a)光熱過(guò)程

(b)熱過(guò)程

結(jié)合上述原位紅外實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本文給出了Ni/Al2O3上聚光光熱驅(qū)動(dòng)二氧化碳甲烷化的微觀反應(yīng)路徑,如圖9所示。CO路徑為主要的甲烷化反應(yīng)路徑,在光照作用下,Ni納米顆粒作為活化和解離CO2和H2的活性位點(diǎn),將兩者以CO*及H*形式吸附隨后進(jìn)一步反應(yīng)生成CH4。甲酸路徑為次要的甲烷化反應(yīng)路徑,H2在Ni活性位點(diǎn)活化解離,CO2與表面羥基結(jié)合生成碳酸氫鹽,兩者締合脫水并生成關(guān)鍵中間物甲酸,隨后進(jìn)一步與H*反應(yīng)生成CH4。

(a)CO路徑

(b)甲酸路徑

2.4 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)及表征

CO2甲烷化材料的高耐久性是其能夠進(jìn)行應(yīng)用的先決條件,因此在w(Ni)為15%的Ni/Al2O3上、光熱(350℃)條件下開(kāi)展了6 h的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖10(a)所示。可以發(fā)現(xiàn),材料在6 h內(nèi)表現(xiàn)出良好的耐久性,CO2轉(zhuǎn)化率及CH4選擇性均基本保持穩(wěn)定。圖10(b)展示了反應(yīng)前后樣品的X射線衍射譜圖,并未觀察到其他晶相的出現(xiàn),結(jié)果表明材料的結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

(a)6 h穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

(b)反應(yīng)前、后的X射線衍射譜圖

3 結(jié) 論

本文合成了具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換特性的Ni/Al2O3催化劑,并在聚光光熱及熱驅(qū)動(dòng)條件下開(kāi)展了二氧化碳甲烷化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光熱相較熱驅(qū)動(dòng)過(guò)程具有更高的催化活性,且在達(dá)到峰值CO2轉(zhuǎn)化率時(shí)溫度降低了25℃左右。表觀活化能測(cè)試表明聚光有效地降低了反應(yīng)所需活化能,能夠更容易地激活CO2分子。此外,聚光誘導(dǎo)產(chǎn)生的溫度梯度進(jìn)一步促進(jìn)了CO2轉(zhuǎn)化。在微觀層面上,原位漫反射紅外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明聚光的引入改善了CO2在材料表面的吸附,促進(jìn)了關(guān)鍵中間體的轉(zhuǎn)變,增強(qiáng)了CO*生成CH4的反應(yīng)路徑,抑制了CO的生成,在微觀的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)上強(qiáng)化了二氧化碳的轉(zhuǎn)化。本研究為認(rèn)識(shí)聚光光熱CO2甲烷化過(guò)程中光的作用機(jī)理提供了新的見(jiàn)解。