Système de réaction catalytique et évaluation de produits pour améliorer l'efficacité de la photosynthèse artificielle

In recent years, the annual increase in global CO2 emissions has been a serious threat to the ecological environment in which people live. (There has been 410 ppm in 2018 – data from the National Oceanic and Atmospheric Administration’s Hawaiian Islands Mauna Loa Volcano’s greenhouse gas monitoring station). Therefore, the capture, storage and conversion of CO2 has received wide attention from researchers. Toyota Central Research has used water and carbon dioxide as raw materials to synthesize useful substances using sunlight, and the energy conversion efficiency has increased to the highest 4.6% in the world. BASF in Germany converts carbon dioxide into a carbonate polymer material with a wide range of applications. Bayer can use carbon dioxide in flue gas from thermal power plants as the main raw material for the production of polyurethane materials. There is a stable catalyst market for the production of carbonates, but the utilization of CO2 is still far from enough. The conversion of hydrocarbon fuels is still in the basic research stage of application. China’s 13th Five-Year Plan and the Sino-US Joint Statement on Climate Change have made “carbon reduction” a construction goal, encouraging the conversion of CO2 based fuels. And include it in the “13th Five-Year” National Basic Research Special Plan (Guo Ke Fa Ji [2017] No. 162). The use of solar energy to convert low-cost and abundant CO2 and water into a hydrocarbon fuel with convenient storage, mature technology, wide application fields and huge demand is a green solar chemical conversion technology.

Dans ce contexte, bien qu'il y ait eu beaucoup de travaux de recherche dans le domaine de la réduction du CO2 au pays et à l'étranger, beaucoup de travaux ont réalisé la conversion du CO2 du point de vue de la conception des matériaux, tels que les catalyseurs semi-conducteurs pour la production d'hydrogène catalytique ou dégradation de la matière organique. La sélectivité de la réaction catalytique ou du produit est régulée (Adv. Mater. 2018, 30, 1704663). Cependant, la réalisation de la réaction catalytique et le contrôle du processus ne sont pas suffisamment matures. Les systèmes de réaction utilisés par la plupart des chercheurs sont des équipements et des systèmes d'analyse «semi-personnalisés» non standard. Par conséquent, l'auteur estime que la conception du matériau est importante et que le système de réaction et la méthode d'évaluation appropriés sont plus importants. Le système de réaction fait référence aux conditions environnementales requises pour la réaction de réduction du CO2, telles que la lumière, l'électricité, la solution, la température, la pression, etc.; la méthode de détection fait référence à l'état du produit (comme le gaz ou le liquide, la sélectivité, la concentration), et l'efficacité de conversion du carbone, l'efficacité des photons Attendre.

Parmi plusieurs stratégies de réduction catalytique du CO2 réalisables, telles que la photocatalyse, la photoélectrocatalyse, la catalyse photothermique et la catalyse thermique, chacune a ses propres mérites. Les techniques de réduction photochimique du CO2 et de conversion de celui-ci en carburants hydrocarbonés bénéfiques pour l'homme sont particulièrement intéressantes. Puisqu'il peut être réalisé à température et pression normales, des effets synergiques peuvent également se produire à des températures et pressions spécifiques. L'énergie requise peut être fournie directement ou indirectement par des énergies renouvelables telles que l'énergie solaire, et le carbone peut être recyclé.

Figure 1 Réacteur catalytique sous forme de lot et d'écoulement (Chem. Asian J. 2016, 11, 425 - 436)

Il existe deux façons de construire le réacteur (comme indiqué sur la figure 2). L'un est un réacteur à volume fixe dans lequel une matière première de réaction telle que CO2, H2 ou H2O, un catalyseur ou un cocatalyseur est placée dans un réacteur, et une réaction est effectuée en injectant de la lumière, de l'électricité, de la chaleur ou similaire dans le catalyseur . La seconde est une méthode d'écoulement, qui est un processus dans lequel un gaz d'alimentation est introduit dans le réacteur à une certaine vitesse et, après une certaine période de réaction, sort du réacteur. L'étude a révélé que le matériau du réacteur est généralement divisé en polytétrafluoroéthylène, verre de quartz, acier inoxydable. Le PTFE présente les avantages d'une résistance élevée, d'une résistance à la corrosion et d'une bonne étanchéité, mais a une limite de température basse, généralement 250 degrés. Le réacteur à quartz présente les avantages de la résistance à la température et à la corrosion, mais il est fragile et a une faible résistance à la compression. Le réacteur métallique en acier inoxydable présente les avantages d'une résistance à la pression et d'un traitement facile, mais il est facile de réagir avec les réactifs. Vous pouvez choisir le réacteur adapté à vos besoins. Dans le même temps, afin d'introduire ou d'extraire du gaz ou des produits en temps opportun, quelques trous doivent être ouverts dans la conception du réacteur pour faciliter l'injection de matières premières.

De plus, les formes de réaction les plus courantes sont les réactions solide-liquide: dans le réacteur, une solution saturée de CO2 est utilisée comme matière première, ou un électrolyte est injecté dans un réacteur de réduction électrocatalytique (Fig.2). Le mécanisme de réaction intrinsèque de l'électroréduction du dioxyde de carbone implique un chemin complexe de frontières triphasiques solide-liquide. Par conséquent, la conception rationnelle de la géométrie du catalyseur permet autant de sites réactifs que possible pour favoriser le transfert de protons et d'électrons à l'interface.

Figure 2 Schematic diagram of solid-gas and solid-liquid reaction (Chem. Commun., 2016, 52, 35–59)

Figure 3 Diagramme schématique du réacteur de réduction de CO2 photoélectrocatalytique (J. Photon. Energy. 2017, 7 (1), 012005)

Le traitement du catalyseur dans le réacteur est différent selon la morphologie du matériau. Par exemple, le matériau en poudre peut être déposé sur la surface du verre de quartz; le matériau du film peut être placé dans le réacteur par pliage, poinçonnage, etc .; le matériau en vrac (céramique poreuse) peut augmenter le taux de contact entre le gaz et le catalyseur par le passage du gaz pour réaliser la restauration du CO2.

Sélection de la source lumineuse: Le choix de la source de réaction catalytique est également très important. Il est intéressant pour les chercheurs de prêter attention au problème de la densité de puissance optique effective. Par conséquent, la source de lumière achetée, telle qu'une lampe au xénon, a généralement une puissance d'usine de plus de quelques intensités de lumière solaire (un soleil équivaut à 1 kW / m2). Par conséquent, il peut être réglé par un filtre chauffant. Avant de concevoir la réaction, le wattmètre optique doit être utilisé pour tester la valeur réelle. L'intensité de la source lumineuse utilisée.

Product Evaluation: Evaluation of the catalytic product is the last and most important part of the overall system. The products taken are generally classified into offline (commonly known as “needle type”) and online detection (online). Depending on the nature of the catalytic product, the detection equipment generally has gas chromatography, mass spectrometry, and liquid chromatography. Professors such as Prof. Ye jinhua, Ozin, Zou zhigang, Yang peidong, Li can, Xie yi, Wu lizhu, and Wang xinchen are widely used.

Cet article se concentre sur la chromatographie en phase gazeuse, le dispositif le plus couramment utilisé dans les études récentes. Les composants principaux comprennent généralement des détecteurs, des colonnes, des reformeurs de méthane, des vannes à six voies et des boucles. Le détecteur utilise généralement deux types (détecteur de flamme d'hydrogène) FID et (détecteur de piscine thermique) TCD. Le FID peut détecter la matière organique contenant du carbone avec une sensibilité élevée, tandis que le TCD peut détecter tous les composés, y compris l'hydrogène, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, etc., mais avec un angle de sensibilité (~ 1000 ppm). Par conséquent, la plupart des chercheurs choisissent d'installer le détecteur FID, et le CO2 ou le CO résiduel dans le processus de réaction peut être détecté par un four de conversion avec un catalyseur au nickel. Plus important encore, après la vaporisation du produit, les colonnes utilisées dans le flux de gaz vecteur sont également différentes, ce qui affecte la sensibilité de détection. Par exemple, le détecteur FID utilise généralement une colonne capillaire et le détecteur TCD utilise une colonne TDX01. Comme le montre la conception du chromatogramme ci-dessous, de nombreux fabricants au pays et à l'étranger peuvent fournir des produits personnalisés, tels que Agilent, Tianmei, Yanuo, Fuli, etc. Bien sûr, comme les produits de réduction du CO2 sont très compliqués, il existe de petites molécules telles que H2 et CO, ainsi que des molécules organiques telles que C1, CH3OH, l'acide formique et l'éthanol, tels que C1 et C2. Le détecteur à colonne unique ne peut pas être complètement détecté à la fois, et TCD et TCD sont requis. Le FID est combiné et les différents types de colonnes sont utilisés ensemble.

La réduction catalytique du CO2 en hydrocarbures est devenue un moyen écologique d'atténuer les problèmes énergétiques et environnementaux. Sur la base de nombreuses années de recherche, Xiaobian a rassemblé des connaissances importantes sur les systèmes de réaction catalytique et l'évaluation des produits, et espère aider les chercheurs dans le même domaine à fournir une bonne plate-forme pour la conception de catalyseurs à haute efficacité.