Solar fuel from photo-thermal catalytic reactions with spectrum-selectivity: a review

Sanli TANG, Jie SUN, Hui HONG, Qibin LIU

PDF(609 KB)
PDF(609 KB)
Front. Energy ›› 2017, Vol. 11 ›› Issue (4) : 437-451. DOI: 10.1007/s11708-017-0509-z
REVIEW ARTICLE

Solar fuel from photo-thermal catalytic reactions with spectrum-selectivity: a review

Author information +
History +

Abstract

Solar fuel is one of the ideal energy sources in the future.The synergy of photo and thermal effects leads to a new approach tohigher solar fuel production under relatively mild conditions. Thispaper reviews different approaches for solar fuel production fromspectrum-selective photo-thermal synergetic catalysis. The reviewbegins with the meaning of synergetic effects, and the mechanismsof spectrum-selectivity and photo-thermal catalysis. Then, from atechnical perspective, a number of experimental or theoretical worksare sorted by the chemical reactions and the sacrificial reagentsapplied. In addition, these works are summarized and tabulated basedon the operating conditions, spectrum-selectivity, materials, andproductivity. A discussion is finally presented concerning futuredevelopment of photo-thermal catalytic reactions with spectrum-selectivity.

Keywords

photo-thermal catalysis / spectrum-selectivity / solar fuel / full-spectrum

Cite this article

Download citation ▾
Sanli TANG, Jie SUN, Hui HONG, Qibin LIU. Solar fuel from photo-thermal catalytic reactionswith spectrum-selectivity: a review. Front. Energy, 2017, 11(4): 437‒451 https://doi.org/10.1007/s11708-017-0509-z

References

[1]
Harvey P R, Rudham  R, Ward S. Photocatalytic oxidation of liquid 2-propanolby titanium dioxide. Journal of the ChemicalSociety, Faraday Transactions 1: Physical Chemistry in Condensed Phases, 1983, 79(6): 1381–1390
[2]
Okamoto K, Yamamoto  Y, Tanaka H,  Itaya A. Kinetics of heterogeneous photocatalytic decompositionof phenol over anatase TiO2 powder. Bulletin of the Chemical Society of Japan, 1985, 58(7): 2023–2028
CrossRef Google scholar
[3]
Chen L C, Chou  T C. Kinetics of photodecolorization of methyl-orange using titanium-dioxide ascatalyst. Industrial & EngineeringChemistry Research, 1993, 32(7): 1520–1527
CrossRef Google scholar
[4]
Vorontsov A V,  Stoyanova I V,  Kozlov D V,  Simagina V I,  Savinov E N. Kinetics of the photocatalytic oxidation of gaseous acetone overplatinized titanium dioxide. Journal ofCatalysis, 2000, 189(2): 360–369
CrossRef Google scholar
[5]
Yamazoe S, Hitomi  Y, Shishido T,  Tanaka T. Kinetic study of photo-oxidation of NH3 over TiO2. Applied Catalysis B: Environmental, 2008, 82(1–2): 67–76
CrossRef Google scholar
[6]
Hussein F H, Rudham  R. Photocatalytic dehydrogenation of liquid alcohols by platinized anatase. Journal of the Chemical Society, Faraday TransactionsI, 1987, 83(5): 1631–1639
CrossRef Google scholar
[7]
Naito S. Study of photocatalytic reaction of methanol with waterover Rh-loaded, and Pd-loaded TiO2 catalysts––the role of added alkali-metal cations. Canadian Journal of Chemistry-Revue Canadienne De Chimie, 1986, 64(9): 1795–1799
CrossRef Google scholar
[8]
Karakitsou K, Verykios  X E. Definition of the intrinsic rate of photocatalytic cleavage of waterover Pt-RuO2/TiO2 catalysts. Journal of Catalysis, 1995, 152(2): 360–367
CrossRef Google scholar
[9]
Zhang J, Tang  Y L, Hu  G, Gao B L,  Gan Z X,  Chu P K. Carbon nanodots-based nanocomposites with enhanced photocatalyticperformance and photothermal effects. Applied Physics Letters, 2017, 111(1): 013904
CrossRef Google scholar
[10]
Liu X, Ye  L, Ma Z,  Han C, Wang  L, Jia Z,  Su F, Xie  H. Photothermal effect of infrared light to enhance solarcatalytic hydrogen generation. Catalysis Communications, 2017, 102: 13–16
CrossRef Google scholar
[11]
Mangrulkar P A,  Chilkalwar A A,  Kotkondawar A V,  Manwar N R,  Antony P S,  Hippargi G,  Labhsetwar N,  Trachtenberg M C,  Rayalu S S. Plasmonic nanostructured Zn/ZnO composite enhances carbonicanhydrase driven photocatalytic hydrogen generation. Journal of CO2 Utilization, 2017, 17: 207–212
[12]
Panayotov D A,  Morris J R. Surface chemistry of Au/TiO2: thermally and photolytically activated reactions. Surface Science Reports, 2016, 71(1): 77–271
CrossRef Google scholar
[13]
Wentworth W E,  Batten C F,  Wei G. The photo-assisted thermal decompositionof methanol and isopropanol in a fluidized bed. Energy, 1987, 12(3–4): 319–331
CrossRef Google scholar
[14]
Yu S, Zhang  T, Xie Y,  Wang Q, Gao  X, Zhang R,  Zhang Y,  Su H. Synthesis and characterization of iron-based catalyston mesoporous titania for photo-thermal F-T synthesis. International Journal of Hydrogen Energy, 2015, 40(1): 870–877
CrossRef Google scholar
[15]
Verma R, Samdarshi  S K, Bojja  S, Paul S,  Choudhury B. A novel thermophotocatalyst of mixed-phase cerium oxide (CeO2/Ce2O3) homocomposite nanostructure: role of interface and oxygen vacancies. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2015, 141: 414–422
CrossRef Google scholar
[16]
Huang K, Lin  L, Yang K,  Dai W, Chen  X, Fu X. Promotion effect of ultraviolet light on NO+ CO reactionover Pt/TiO2 and Pt/CeO2-TiO2 catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 179: 395–406
CrossRef Google scholar
[17]
Nikitenko S I,  Chave T,  Cau C, Brau  H P, Flaud  V. Photothermal hydrogen production using noble-metal-free Ti@TiO2 core–shell nanoparticles under Visible–NIR light irradiation. ACS Catalysis, 2015, 5(8): 4790–4795
CrossRef Google scholar
[18]
Ren J, Ouyang  S, Xu H,  Meng X, Wang  T, Wang D,  Ye J. Targeting activation of CO2 and H2 over Ru-loaded ultrathin layered double hydroxides to achieveefficient photothermal CO2 methanation in flow-type system. Advanced Energy Materials, 2017, 7(5): 1601657
[19]
Kho E T, Tan  T H, Lovell  E, Wong R J,  Scott J,  Amal R. A review on photo-thermal catalytic conversion of carbondioxide. Green Energy & Environment, 2017, 2(3): 204–217
CrossRef Google scholar
[20]
Delasa H, Rosales  B S. Photocatalytic Technologies. Beijing: Science Press, 2010
[21]
Li Y, Wang  C, Zheng H,  Wan F, Yu  F, Zhang X,  Liu Y. Surface oxygen vacancies on WO3 contributed to enhanced photothermo-synergistic effect. Applied Surface Science, 2017, 391, Part B: 654–661
[22]
Lin L, Wang  K, Yang K,  Chen X, Fu  X, Dai W. The visible-light-assisted thermocatalytic methanationof CO2 over Ru/TiO(2−x)Nx. Applied Catalysis B: Environmental, 2017, 204: 440–455
CrossRef Google scholar
[23]
Xie S, Wang  Z, Cheng F,  Zhang P,  Mai W, Tong  Y. Ceria and ceria-based nanostructured materials for photoenergyapplications. Nano Energy, 2017, 34: 313–337
CrossRef Google scholar
[24]
Kale M J, Avanesian  T, Christopher P. Direct photocatalysis byplasmonic nanostructures. ACS Catalysis, 2014, 4(1): 116–128
CrossRef Google scholar
[25]
Wang C, Ranasingha  O, Natesakhawat S,  Ohodnicki P R,  Andio M,  Lewis J P,  Matranga C. Visible light plasmonic heating of Au-ZnO for the catalytic reductionof CO2. Nanoscale, 2013, 5(15): 6968–6974
CrossRef Google scholar
[26]
Looser R, Vivar  M, Everett V. Spectral characterisation and long-termperformance analysis of various commercial heat transfer fluids (HTF)as direct-absorption filters for CPV-T beam-splitting applications. Applied Energy, 2014, 113: 1496–1511
CrossRef Google scholar
[27]
Draine B T, Flatau  P J. Discrete-dipole approximation for scattering calculations. Journal of the Optical Society of America. A, Optics, Image Science,and Vision, 1994, 11(4): 1491–1499
CrossRef Google scholar
[28]
Oubre C, Nordlander  P. Optical properties of metallodielectric nanostructures calculatedusing the finite difference time domain method. Journal of Physical Chemistry B, 2004, 108(46): 17740–17747
CrossRef Google scholar
[29]
Bohren C F, Huffman  D R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. New York: Wiley, 1986
[30]
Duan H, Xuan  Y. Enhanced optical absorption of the plasmonic nanoshell suspension based on the solarphotocatalytic hydrogen production system. Applied Energy, 2014, 114: 22–29
CrossRef Google scholar
[31]
Tauc J, Grigorovici  R, Vancu A. Optical properties and electronicstructure of amorphous germanium. Physica Status Solidi, 1966, 15(2): 627–637 (b) 
CrossRef Google scholar
[32]
Ren L, Mao  M, Li Y,  Lan L, Zhang  Z, Zhao X. Novel photothermocatalytic synergetic effect leads to high catalyticactivity and excellent durability of anatase TiO2 nanosheets with dominant {001} facets for benzene abatement. Applied Catalysis B: Environmental, 2016, 198: 303–310
CrossRef Google scholar
[33]
Ohtani B. Revisiting the fundamental physical chemistry in heterogeneousphotocatalysis: its thermodynamics and kinetics. Physical Chemistry Chemical Physics, 2014, 16(5): 1788–1797
CrossRef Google scholar
[34]
Archer M D, Bolton  J R. Requirements for ideal performance of photochemical and photovoltaic solar energyconverters. Journal of Physical Chemistry, 1990, 94(21): 8028–8036
CrossRef Google scholar
[35]
Liu B, Zhao  X. A kinetic model for evaluating the dependence of the quantum yield of nano-TiO2 based photocatalysis on light intensity, grain size,carrier lifetime, and minority carrier diffusion coefficient: indirectinterfacial charge transfer. ElectrochimicaActa, 2010, 55(12): 4062–4070
CrossRef Google scholar
[36]
Liang H, Wang  F, Cheng Z,  Hu S, Xiao  B, Gong X,  Lin B, Tan  J, Li X,  Cao R, Liang  W, Liu L. Analyzing the effects of reaction temperature on photo-thermo chemical synergeticcatalytic water splitting under full-spectrum solar irradiation: anexperimental and thermodynamic investigation. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(17): 12133–12142
CrossRef Google scholar
[37]
Fuentes M, Vivar  M, Scott J,  Srithar K,  Skryabin I. Results from a first autonomousoptically adapted photocatalytic-photovoltaic module for water purification. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2012, 100: 216–225
CrossRef Google scholar
[38]
Vivar M, Fuentes  M, Dodd N,  Scott J,  Skryabin I,  Srithar K. First lab-scale experimentalresults from a hybrid solar water purification and photovoltaic system. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2012, 98: 260–266
CrossRef Google scholar
[39]
Vivar M, Skryabin  I, Everett V,  Blakers A. A concept for a hybrid solar water purification and photovoltaicsystem. Solar Energy Materials and SolarCells, 2010, 94(10): 1772–1782
CrossRef Google scholar
[40]
Zamfirescu C, Dincer  I. Assessment of a new integrated solar energy system for hydrogen production. Solar Energy, 2014, 107: 700–713
CrossRef Google scholar
[41]
Coridan R H, Nielander  A C, Francis  S A, McDowell  M T, Dix  V, Chatman S M,  Lewis N S. Methods for comparing the performance of energy-conversion systemsfor use in solar fuels and solar electricity generation. Energy & Environmental Science, 2015, 8(10): 2886–2901
CrossRef Google scholar
[42]
Christopher K, Dimitrios  R. A review on exergy comparison of hydrogen production methods fromrenewable energy sources. Energy &Environmental Science, 2012, 5(5): 6640–6651
CrossRef Google scholar
[43]
Ni M, Leung  M K H, Leung  D Y C, Sumathy  K. A review and recent developments in photocatalytic water-splittingusing TiO2 for hydrogen production. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2007, 11(3): 401–425
CrossRef Google scholar
[44]
Adleman J R, Boyd  D A, Goodwin  D G, Psaltis  D. Heterogenous catalysis mediated by plasmon heating. Nano Letters, 2009, 9(12): 4417–4423
CrossRef Google scholar
[45]
Christopher P, Xin  H, Linic S. Visible-light-enhanced catalytic oxidationreactions on plasmonic silver nanostructures. Nature Chemistry, 2011, 3(6): 467–472
[46]
Marimuthu A, Zhang  J, Linic S. Tuning selectivity in propylene epoxidationby plasmon mediated photo-switching of Cu oxidation state. Science, 2013, 339(6127): 1590–1593
CrossRef Google scholar
[47]
Tan T H, Scott  J, Ng Y H,  Taylor R A,  Aguey-Zinsou K F,  Amal R. Understanding plasmon and band gap photoexcitation effectson the thermal-catalytic oxidation of ethanol by TiO2-supported gold. ACS Catalysis, 2016, 6(3): 1870–1879
CrossRef Google scholar
[48]
Gao M, Connor  P K N, Ho  G W. Plasmonic photothermic directed broadbandsunlight harnessing for seawater catalysis and desalination. Energy & Environmental Science, 2016, 9(10): 3151–3160
CrossRef Google scholar
[49]
He Y L, Xiao  J, Cheng Z D,  Tao Y B A. MCRT and FVM coupled simulation method for energy conversion processin parabolic trough solar collector. Renewable Energy, 2011, 36(3): 976–985
CrossRef Google scholar
[50]
Cheng Z D, He  Y L, Cui  F Q, Xu  R J, Tao  Y B. Numerical simulation of a parabolic trough solar collector with nonuniform solar flux conditionsby coupling FVM and MCRT method. Solar Energy, 2012, 86(6): 1770–1784
CrossRef Google scholar
[51]
Song R, Luo  B, Jing D. Efficient photothermal catalytic hydrogenproduction over nonplasmonic Pt metal supported on TiO2. In: Proceeding of SPIE 9935, Solar Hydrogen andNanotechnology XI, 2016, 9935,9935C
[52]
Song R, Luo  B, Liu M,  Geng J, Jing  D, Liu H. Synergetic coupling of photo and thermal energy for efficienthydrogen production by formic acid reforming. AIChE Journal, 2017, 63(7): 2916–2925
CrossRef Google scholar
[53]
Puangpetch T, Sreethawong  T, Yoshikawa S,  Chavadej S. Hydrogen production from photocatalytic water splittingover mesoporous-assembled SrTiO3 nanocrystal-based photocatalysts. Journal of Molecular Catalysis A Chemical, 2009, 312(1–2): 97–106
CrossRef Google scholar
[54]
Yoshida H, Hirao  K, Nishimoto J I,  Shimura K,  Kato S, Itoh  H, Hattori T. Hydrogen production from methane and water on platinum loaded titaniumoxide photocatalysts. Journal of PhysicalChemistry C, 2008, 112(14): 5542–5551
CrossRef Google scholar
[55]
Shimura K, Kato  S, Yoshida T,  Itoh H, Hattori  T, Yoshida H. Photocatalytic steam reforming of methane over sodiumtantalate. Journal of Physical ChemistryC, 2010, 114(8): 3493–3503
CrossRef Google scholar
[56]
Shimura K, Maeda  K, Yoshida H. Thermal acceleration of electron migrationin gallium oxide photocatalysts. Journal of Physical Chemistry C, 2011, 115(18): 9041–9047
CrossRef Google scholar
[57]
Kohno Y, Tanaka  T, Funabiki T,  Yoshida S. Reaction mechanism in the photoreduction of CO2 with CH4 over ZrO2. Physical Chemistry Chemical Physics, 2000, 2(22): 5302–5307
CrossRef Google scholar
[58]
Teramura K, Tanaka  T, Ishikawa H,  Kohno Y,  Funabiki T. Photocatalytic reductionof CO2 to CO in the presence of H2 or CH4 as a reductant over MgO. Journal of Physical Chemistry B, 2004, 108(1): 346–354
CrossRef Google scholar
[59]
Yuliati L, Itoh  H, Yoshida H. Photocatalytic conversion of methaneand carbon dioxide over gallium oxide. Chemical Physics Letters, 2008, 452(1–3): 178–182
CrossRef Google scholar
[60]
Liu H, Meng  X, Dao T D,  Zhang H,  Li P, Chang  K, Wang T,  Li M, Nagao  T, Ye J. Conversion of carbon dioxide by methane reforming undervisible-light irradiation: surface-plasmon-mediated nonpolar moleculeactivation. Angewandte Chemie InternationalEdition, 2015, 54(39): 11545–11549
CrossRef Google scholar
[61]
Han B, Wei  W, Chang L,  Cheng P,  Hu Y H. Efficient visible light photocatalyticCO2 reforming of CH4. ACS Catalysis, 2016, 6(2): 494–497
CrossRef Google scholar
[62]
Lin X, Yang  K, Si R,  Chen X, Dai  W, Fu X. Photo-assisted catalytic methanation of CO in H2-rich stream over Ru/TiO2. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 147: 585–591
CrossRef Google scholar
[63]
Lin X, Lin  L, Huang K,  Chen X, Dai  W, Fu X. CO methanation promoted by UV irradiation over Ni/TiO2. Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 168–169: 416–422
CrossRef Google scholar
[64]
Hoch L B, Wood  T E, O’Brien  P G, Liao  K, Reyes L M,  Mims C A,  Ozin G A. The rational design of a single-component photocatalyst for gas-phaseCO2 reduction using both UV and visible light. Advancement of Science, 2014, 1(1): 1400013
[65]
Ghuman K K, Wood  T E, Hoch  L B, Mims  C A, Ozin  G A, Singh  C V. Illuminating CO2 reduction onfrustrated Lewis pair surfaces: investigating the role of surfacehydroxides and oxygen vacancies on nanocrystalline In2O3−x(OH)y. Physical ChemistryChemical Physics, 2015, 17(22): 14623–14635
CrossRef Google scholar
[66]
Hoch L B, O’Brien  P G, Jelle  A, Sandhel A,  Perovic D D,  Mims C A,  Ozin G A. Nanostructured indium oxide coated silicon nanowire arrays:a hybrid photothermal/photochemical approach to solar fuels. ACS Nano, 2016, 10(9): 9017–9025
CrossRef Google scholar
[67]
Jia J, O'Brien  P G, He  L, Qiao Q,  Fei T, Reyes  L M, Burrow  T E, Dong  Y, Liao K,  Varela M,  Pennycook S J,  Hmadeh M,  Helmy A S,  Kherani N P,  Perovic D D,  Ozin G A. Visible and near-infraredphotothermal catalyzed hydrogenation of gaseous CO2 over nanostructured Pd@Nb2O5. Advanced Science, 2016, 3(10): 1600189
[68]
Upadhye A A, Ro  I, Zeng X,  Kim H J,  Tejedor I,  Anderson M A,  Dumesic J A,  Huber G W. Plasmon-enhanced reversewater gas shift reaction over oxide supported Au catalysts. Catalysis Science & Technology, 2015, 5(5): 2590–2601
CrossRef Google scholar
[69]
Tahir M, Amin  N S. Performance analysis of nanostructured NiO-In2O3/TiO2 catalyst for CO2 photoreduction with H2 in a monolith photoreactor. Chemical Engineering Journal, 2016, 285: 635–649
CrossRef Google scholar
[70]
O'Brien P G, Sandhel  A, Wood T E,  Jelle A A,  Hoch L B,  Perovic D D,  Mims C A,  Ozin G A. Photomethanation of gaseousCO2 over Ru/silicon nanowire catalysts with visible and near-infraredphotons. Advanced Science, 2014, 1(1): 1400001
[71]
Hisatomi T, Maeda  K, Takanabe K,  Kubota J,  Domen K. Aspects of the water splittingmechanism on (Ga1−xZnx)(N1−xOx) photocatalyst modified with Rh2−yCryO3 cocatalyst. Journal of PhysicalChemistry C, 2009, 113(51): 21458–21466
CrossRef Google scholar
[72]
Hisatomi T, Miyazaki  K, Takanabe K,  Maeda K,  Kubota J,  Sakata Y,  Domen K. Isotopic and kinetic assessment of photocatalytic water splittingon Zn-added Ga2O3 photocatalyst loaded with Rh2−yCryO3 cocatalyst. Chemical Physics Letters, 2010, 486(4–6): 144–146
CrossRef Google scholar
[73]
Hou X, Hou  H J M. Roles of manganese in photosystem II dynamics to irradiations and temperatures. Frontiers in Biology, 2013, 8(3): 312–322
CrossRef Google scholar
[74]
Zhang F, Cady  C W, Brudvig  G W, Hou  H J M. Thermal stability of [Mn(III)(O)2Mn(IV)(H2O)2(Terpy)2](NO3)3 (Terpy= 2,2′:6′,2″-terpyridine)in aqueous solution. Inorganica ChimicaActa, 2011, 366(1): 128–133
CrossRef Google scholar
[75]
Hou H J M. Hydrogen energy production using manganese/semiconductorsystem inspired by photosynthesis. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(12): 8530–8538
CrossRef Google scholar
[76]
Wang L, Wang  Y, Cheng Y,  Liu Z, Guo  Q, Ha M N,  Zhao Z. Hydrogen-treated mesoporous WO3 as a reducing agent of CO2 to fuels (CH4 and CH3OH) with enhanced photothermal catalytic performance. Journal of Materials Chemistry. A, Materials forEnergy and Sustainability, 2016, 4(14): 5314–5322
CrossRef Google scholar
[77]
Zheng Z J, He  Y, He Y L,  Wang K. Numerical optimization of catalyst configurations in a solar parabolictrough receiver-reactor with non-uniform heat flux. Solar Energy, 2015, 122: 113–125
CrossRef Google scholar
[78]
Han S, Chen  Y, Abanades S,  Zhang Z. Improving photoreduction of CO2 with water to CH4 in a novel concentrated solar reactor. Journal of Energy Chemistry, 2017, 26(4): 743–749
CrossRef Google scholar
[79]
Chanmanee W, Islam  M F, Dennis  B H, MacDonnell  F M. Solar photothermochemical alkane reverse combustion. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United Statesof America, 2016, 113(10): 2579–2584
CrossRef Google scholar
[80]
T-Raissi A, Muradov  N, Huang C,  Adebiyi O. Hydrogen from solar via light-assisted high-temperaturewater splitting cycles. Journal of SolarEnergy Engineering, Transactions of the ASME, 2007, 129(2):184–189
[81]
Docao S, Koirala  A R, Kim  M G, Hwang  I C, Song  M K, Yoon  K B. Solar photochemical-thermal water splittingat 140°C with Cu-loaded TiO2. Energy & Environmental Science, 2017, 10(2): 628–640
CrossRef Google scholar
[82]
Schwartzenberg K C,  Hamilton J W J,  Lucid A K,  Weitz E,  Notestein J,  Nolan M,  Byrne J A,  Gray K A. Multifunctional photo/thermal catalysts for the reduction of carbon dioxide. Catalysis Today, 2017, 280(Part 1): 65–73
CrossRef Google scholar

Acknowledgements

This work was supported by the National NaturalScience Foundation of China (Grant Nos. 51406205 and 51236008).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbHGermany
AI Summary AI Mindmap
PDF(609 KB)

Accesses

Citations

Detail

Sections
Recommended

/