REVIEW ARTICLE

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

  • Sanli TANG ,
  • Jie SUN ,
  • Hui HONG ,
  • Qibin LIU
Expand
  • Institute of EngineeringThermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received date: 27 May 2017

Accepted date: 09 Sep 2017

Published date: 14 Dec 2017

Copyright

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbHGermany

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.

Cite this article

Sanli TANG , Jie SUN , Hui HONG , Qibin LIU . Solar fuel from photo-thermal catalytic reactionswith spectrum-selectivity: a review[J]. Frontiers in Energy, 2017 , 11(4) : 437 -451 . DOI: 10.1007/s11708-017-0509-z

Acknowledgements

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

24
Kale M J, Avanesian  T, Christopher P. Direct photocatalysis byplasmonic nanostructures. ACS Catalysis, 2014, 4(1): 116–128

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

31
Tauc J, Grigorovici  R, Vancu A. Optical properties and electronicstructure of amorphous germanium. Physica Status Solidi, 1966, 15(2): 627–637 (b) 

DOI

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

DOI

33
Ohtani B. Revisiting the fundamental physical chemistry in heterogeneousphotocatalysis: its thermodynamics and kinetics. Physical Chemistry Chemical Physics, 2014, 16(5): 1788–1797

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

40
Zamfirescu C, Dincer  I. Assessment of a new integrated solar energy system for hydrogen production. Solar Energy, 2014, 107: 700–713

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

75
Hou H J M. Hydrogen energy production using manganese/semiconductorsystem inspired by photosynthesis. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(12): 8530–8538

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

Outlines

/