Continuous photocatalytic fuel production over wide-bandgap metal oxides

Abstract

La fotosíntesi artificial ha estat proposada com una de les possibles solucions als problemes energètics i de matèries primes d’origen químic per a fer front, de forma anticipada, a l’esgotament dels combustibles d’origen fòssil en un futur proper. Aquesta tesis doctoral tracta l’estudi de catalitzadors prometedors i el disseny de reactors per a realçar l’eficiència de reacció i entendre l’origen de l’activitat fotocatalítica. Un sistema de reacció en flux continu va ser dissenyat i construït per a estudiar el procés de fotoreducció del CO2 amb aigua i l’electròlisi fotocatalítica de l’aigua. L’activitat fotocatalítica d’òxids conductors de banda prohibida (bandgap) àmplia tals com, TiO2, Ta2O5, MTaO3 (M = Na, K), i Ga2O3 va ser avaluada mitjançant l’ús de dos tipus de reactors; més concretament, reactors en suspensió i en fase gas, respectivament. Làmpades de mercuri d’alta pressió van ser utilitzades coma fonts de llum. Els efectes dels co-catalitzadors (Pt i Rh-Cr) i dopant (Zn), en la formació de productes en la fase gas, va ser investigada. A partir de catalitzadors basats en TiO2, H2 i CH4 van ser detectats i quantificats. L’activitat va ser, pràcticament, de naturalesa transitòria (desactivació). Encara més important, aquest treball va elucidar que l’activitat podia ser recuperada en la foscor (sense irradiació) en la mescla de CO2 i H2O. El procés de recuperació va ser més eficient a altes temperatures. Estudis DRIFTS in situ van permetre millorar el coneixement en respecte al procés de recuperació sobre Pt/TiO2. Materials basats en òxids de Ta y Ga, co-modificats amb Zn i Rh-Cr, van exhibir una alta activitat global per al procés d’electròlisi de l’aigua, mentre que cap activitat per a la reducció de CO2 va ser observada. Tècniques fotofísiques van ser emprades per a identificar els rols clau de la promoció amb Zn i Rh-Cr en l’increment de l’activitat catalítica i la producció d’oxigen.

La fotosíntesis artificial ha sido propuesta como una de las posibles soluciones a los problemas energéticos y de materias primas de origen químico para hacer frente, de forma anticipada, al agotamiento de los combustibles fósiles en un futuro cercano. Esta tesis doctoral trata el estudio de catalizadores prometedores y el diseño de reactores para realzar la eficiencia de reacción y entender el origen de la actividad fotocatalítica. Un sistema de reacción en flujo continuo fue diseñado y construido para estudiar la fotoreducción de CO2 con agua y la electrolisis fotocatalítica del agua. La actividad fotocatalítica de óxidos conductores de banda prohibida (bandgap) ancha tales como TiO2, Ta2O5, MTaO3 (M = Na, K), y Ga2O3 fue evaluada mediante el uso de dos tipos de reactores; más concretamente, reactores en suspensión y en fase gas, respectivamente. Lámparas de mercurio de alta presión fueron utilizadas como fuentes de luz. Los efectos de los co-catalizadores (Pt y Rh-Cr) y dopante (Zn) en la formación de productos en la fase gas fue investigada. A partir de catalizadores basados en TiO2, H2 y CH4 fueron detectados y cuantificados. La actividad fue, prácticamente, de naturaleza transitoria (desactivación). Aún más importante, este trabajo elucidó que la actividad podía ser recuperada en la oscuridad (sin irradiación) en la mezcla de CO2 y H2O. El proceso de recuperación fue más eficiente a altas temperaturas. Estudios DRIFTS in situ permitieron mejorar el conocimiento en respecto el proceso de recuperación sobre Pt/TiO2. Materiales basados en óxidos de Ta y Ga, co-modificados con Zn y Rh-Cr, exhibieron una alta actividad global para el proceso de electrolisis del agua, mientras que ninguna actividad para la reducción de CO2 fue observada. Técnicas fotofísicas fueron empleadas para identificar los roles clave de la promoción con Zn y Rh-Cr en el incremento de la actividad catalítica y la producción de oxígeno.

Artificial photosynthesis has been proposed as one of the possible solutions to the energetic and chemical-feedstock problems to cope with the anticipated near future depletion of fossil fuel resources. This doctoral thesis deals with the study of promising catalysts and reactor designs to enhance the reaction efficiency and understand the origin of photocatalytic activity. A continuous flow reaction system was designed and constructed to study CO2 photoreduction with H2O and photocatalytic water splitting. Photocatalytic activity of wide-bandgap semiconductor oxides such as TiO2, Ta2O5, MTaO3 (M = Na, K), and Ga2O3 was evaluated by using two different reactors, namely slurry and gas phase reactors. High pressure mercury lamps were used as the light source. Effects of co-catalysts (Pt and Rh-Cr) and dopants (Zn) on gas phase products evolution were investigated. From TiO2-based catalysts, H2 and CH4 were detected and quantified. The activity was mostly of a transient nature (deactivating). Importantly this work elucidated that the activity could be recovered in the dark (without irradiation) in the mixture of CO2 and H2O. The recovery process was more efficient at higher temperatures. In situ DRIFTS study gained mechanistic insights into the recovery process over Pt/TiO2. Ta and Ga oxides-based materials, co-modified with Zn and Rh-Cr, exhibited high overall steady-state water splitting activity, whereas no CO2 reduction activity was observed. Photophysic techniques were used to identify the key roles of Zn and Ru-Cr promotion in boosting catalytic activity and oxygen production.