Antecedentes:

En los últimos años, el aumento anual de las emisiones mundiales de CO2 ha sido una grave amenaza para el entorno ecológico en el que viven las personas. (Ha habido 410 ppm en 2018: datos de la estación de monitoreo de gases de efecto invernadero del Volcán Mauna Loa de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de las Islas Hawaianas). Por lo tanto, la captura, almacenamiento y conversión de CO2 ha recibido una gran atención por parte de los investigadores. Toyota Central Research ha utilizado agua y dióxido de carbono como materia prima para sintetizar sustancias útiles utilizando la luz solar, y la eficiencia de conversión de energía ha aumentado a los 4.6% más altos del mundo. BASF en Alemania convierte el dióxido de carbono en un material de polímero de carbonato con una amplia gama de aplicaciones. Bayer puede usar dióxido de carbono en los gases de combustión de las centrales térmicas como la principal materia prima para la producción de materiales de poliuretano. Existe un mercado estable de catalizadores para la producción de carbonatos, pero la utilización de CO2 aún está lejos de ser suficiente. La conversión de combustibles de hidrocarburos aún se encuentra en la etapa de investigación básica de aplicación. El decimotercer plan quinquenal de China y la Declaración conjunta chino-estadounidense sobre cambio climático han convertido la "reducción de carbono" en un objetivo de construcción, alentando la conversión de combustibles a base de CO2. E inclúyalo en el "Plan nacional de investigación básica nacional" 13º quinquenal "(Guo Ke Fa Ji [2017] No. 162). El uso de energía solar para convertir CO2 y agua abundantes y de bajo costo en un combustible de hidrocarburos con almacenamiento conveniente, tecnología madura, amplios campos de aplicación y gran demanda es una tecnología de conversión química solar verde.

Construcción del sistema de reconstrucción:

En este contexto, aunque ha habido mucho trabajo de investigación en el campo de la reducción de CO2 en el hogar y en el extranjero, mucho trabajo ha logrado la conversión de CO2 desde la perspectiva del diseño de materiales, como catalizadores de semiconductores para la producción de hidrógeno catalítico o degradación de la materia orgánica. La selectividad de la reacción catalítica o producto está regulada (Adv. Mater. 2018, 30, 1704663). Sin embargo, la realización de la reacción catalítica y el control del proceso no son lo suficientemente maduros. Los sistemas de reacción utilizados por la mayoría de los investigadores son equipos y sistemas de análisis no estándar "semi-personalizados". Por lo tanto, el autor cree que el diseño del material es importante, y el sistema de reacción apropiado y el método de evaluación son más importantes. El sistema de reacción se refiere a las condiciones ambientales requeridas para la reacción de reducción de CO2, tales como luz, electricidad, solución, temperatura, presión, etc .; El método de detección se refiere al estado del producto (como gas o líquido, selectividad, concentración) y eficiencia de conversión de carbono, eficiencia de fotones. Espere.
Entre varias estrategias factibles de reducción catalítica de CO2, como la fotocatálisis, la fotoelectrocatálisis, la catálisis fototérmica y la catálisis térmica, cada una tiene sus propios méritos. Las técnicas para reducir fotoquímicamente el CO2 y convertirlo en combustibles de hidrocarburos que son beneficiosos para los humanos son particularmente atractivas. Debido a que puede llevarse a cabo a temperatura y presión normales, los efectos sinérgicos también pueden ocurrir a temperaturas y presiones específicas. La energía requerida puede ser proporcionada directa o indirectamente por energía renovable como la energía solar, y el carbono puede ser reciclado.

Figura 1 Reactor catalítico en forma de Batch and Flow (Chem. Asian J. 2016, 11, 425 - 436)
Hay dos formas de construir el reactor (como se muestra en la Figura 2). Uno es un reactor de volumen fijo en el que se coloca una materia prima de reacción como CO2, H2 o H2O, un catalizador o un cocatalizador en un reactor, y una reacción se lleva a cabo inyectando luz, electricidad, calor o similares en el catalizador . El segundo es un Método de flujo, que es un proceso en el que se introduce un gas de alimentación en el reactor a una velocidad determinada y, después de un cierto período de reacción, fluye fuera del reactor. El estudio encontró que el material del reactor generalmente se divide en politetrafluoroetileno, vidrio de cuarzo, acero inoxidable. El PTFE tiene las ventajas de alta resistencia, resistencia a la corrosión y buen sellado, pero tiene un límite de temperatura baja, generalmente 250 grados. El reactor de cuarzo tiene las ventajas de resistencia a la temperatura y resistencia a la corrosión, pero es frágil y tiene baja resistencia a la compresión. El reactor de acero inoxidable metálico tiene las ventajas de resistencia a la presión y fácil procesamiento, pero es fácil de reaccionar con los reactivos. Puede elegir el reactor adecuado para sus necesidades. Al mismo tiempo, para introducir o extraer gas o producto a tiempo, se deben abrir algunos agujeros en el diseño del reactor para facilitar la inyección de materias primas.
Además, las formas de reacción más comunes son las reacciones sólido-líquido: en el reactor, se usa una solución saturada de gas CO2 como materia prima, o se inyecta un electrolito en un reactor de reducción electrocatalítico (Fig. 2). El mecanismo de reacción intrínseca de la electrorreducción de dióxido de carbono implica una ruta compleja de límites trifásicos de fase sólido-líquido. Por lo tanto, el diseño racional de la geometría del catalizador permite tantos sitios reactivos como sea posible para promover la transferencia de protones y electrones en la interfaz.

Figura 2 Diagrama esquemático de reacción de gas sólido y líquido sólido (Chem. Commun., 2016, 52, 35–59)

Figura 3 Diagrama esquemático del reactor de reducción de CO2 fotoelectrocatalítico (J. Photon. Energy. 2017, 7 (1), 012005)

Manejo de materiales:

El tratamiento del catalizador en el reactor es diferente dependiendo de la morfología del material. Por ejemplo, el material en polvo se puede colocar sobre la superficie del vidrio de cuarzo; el material de la película se puede colocar en el reactor plegando, perforando, etc .; El material a granel (cerámica porosa) puede aumentar la velocidad de contacto entre el gas y el catalizador por el flujo de gas a través de la restauración de CO2.
Selección de la fuente de luz: la elección de la fuente de reacción catalítica también es muy importante. Vale la pena que los investigadores presten atención al problema de la densidad de potencia óptica efectiva. Por lo tanto, la fuente de luz comprada, como la lámpara de xenón, generalmente tiene una potencia de fábrica de más de una intensidad de luz solar (un sol es equivalente a 1 kW / m2). Por lo tanto, se puede regular mediante un filtro de calentamiento. Antes de diseñar la reacción, se debe usar el medidor de potencia óptica para probar el valor real. La intensidad de la fuente de luz utilizada.
Evaluación del producto: La evaluación del producto catalítico es la última y más importante parte del sistema general. Los productos tomados generalmente se clasifican en fuera de línea (comúnmente conocido como "tipo de aguja") y detección en línea (en línea). Dependiendo de la naturaleza del producto catalítico, el equipo de detección generalmente tiene cromatografía de gases, espectrometría de masas y cromatografía líquida. Profesores como el profesor Ye jinhua, Ozin, Zou zhigang, Yang peidong, Li can, Xie yi, Wu lizhu y Wang xinchen son ampliamente utilizados.
Este artículo se centra en la cromatografía de gases, el dispositivo más común utilizado en estudios recientes. Los componentes principales suelen incluir detectores, columnas, reformadores de metano, válvulas de seis vías y bucles. El detector generalmente usa dos tipos (detector de llama de hidrógeno) FID y (detector de piscina térmica) TCD. FID puede detectar materia orgánica que contiene carbono con alta sensibilidad, mientras que TCD puede detectar todos los compuestos, incluidos hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, etc., pero con un ángulo de sensibilidad (~ 1000 ppm). Por lo tanto, la mayoría de los investigadores optan por instalar el detector FID, y el CO2 o CO residual en el proceso de reacción puede detectarse mediante un horno de conversión con un catalizador de níquel. Más importante aún, después de que el producto se vaporiza, las columnas utilizadas en el flujo de gas portador también son diferentes, lo que afecta la sensibilidad de detección. Por ejemplo, el detector FID generalmente usa una columna capilar, y el detector TCD usa una columna TDX01. Como se muestra en el diseño del cromatograma que se muestra a continuación, muchos fabricantes en el país y en el extranjero pueden proporcionar productos personalizados, como Agilent, Tianmei, Yanuo, Fuli, etc. Por supuesto, debido a que los productos de reducción de CO2 son muy complicados, existen moléculas pequeñas como H2 y CO, así como moléculas orgánicas como C1, CH3OH, ácido fórmico y etanol, como C1 y C2. El detector de columna única no se puede detectar por completo al mismo tiempo, y se requieren TCD y TCD. El FID se combina y los diferentes tipos de columnas se usan juntos.

Contaminación por carbono:

Un tema clave que requiere atención especial en la investigación de reducción de CO2 es la contaminación por carbono. Los estudios han demostrado que los solventes orgánicos que incluyen solventes, reactivos y surfactantes usados en la preparación del catalizador pueden dejar residuos carbonosos en el producto final y descomponerse en pequeñas moléculas como CO y CH4 durante la reacción catalítica, lo que resulta en actividad catalítica. Sobrevalorado Por lo tanto, es necesario confirmar que el producto medido proviene de la descomposición del CO2 en lugar de la descomposición del residuo carbonoso. El etiquetado de isótopos 13CO2 es una técnica eficaz para verificar la fuente de los productos reductores y se ha utilizado ampliamente en muchos estudios.

Conclusión:

La reducción catalítica de CO2 a hidrocarburos se ha convertido en un medio ecológico para mitigar los problemas energéticos y ambientales. Basado en muchos años de investigación, Xiaobian ha recopilado un conocimiento importante de los sistemas de reacción catalítica y la evaluación de productos, y espera ayudar a los investigadores en el mismo campo a proporcionar una buena plataforma para el diseño de catalizadores de alta eficiencia.

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