कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण की दक्षता में सुधार करने के लिए उत्प्रेरक प्रतिक्रिया प्रणाली और उत्पाद मूल्यांकन

हाल के वर्षों में, वैश्विक CO2 उत्सर्जन में वार्षिक वृद्धि पारिस्थितिक पर्यावरण के लिए एक गंभीर खतरा रही है जिसमें लोग रहते हैं। (2018 में 410 पीपीएम रहा है - नेशनल ओशनिक एंड एटमॉस्फेरिक एडमिनिस्ट्रेशन के हवाई द्वीप मौना लोआ ज्वालामुखी के ग्रीनहाउस गैस मॉनिटरिंग स्टेशन से डेटा)। इसलिए, CO2 के संग्रह, भंडारण और रूपांतरण पर शोधकर्ताओं का व्यापक ध्यान गया है। टोयोटा सेंट्रल रिसर्च ने सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके उपयोगी पदार्थों को संश्लेषित करने के लिए कच्चे माल के रूप में पानी और कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग किया है, और ऊर्जा रूपांतरण दक्षता दुनिया में उच्चतम 4.6% तक बढ़ गई है। जर्मनी में BASF अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बोनेट बहुलक सामग्री में परिवर्तित करता है। बायर पॉलीयूरेथेन सामग्री के उत्पादन के लिए मुख्य कच्चे माल के रूप में थर्मल पावर प्लांट से ग्रिप गैस में कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग कर सकता है। कार्बोनेट के उत्पादन के लिए एक स्थिर उत्प्रेरक बाजार है, लेकिन CO2 का उपयोग अभी भी पर्याप्त नहीं है। हाइड्रोकार्बन ईंधन का रूपांतरण अभी भी आवेदन के बुनियादी अनुसंधान चरण में है। चीन की 13वीं पंचवर्षीय योजना और जलवायु परिवर्तन पर चीन-अमेरिका के संयुक्त वक्तव्य ने "कार्बन में कमी" को एक निर्माण लक्ष्य बना दिया है, जो CO2 आधारित ईंधन के रूपांतरण को प्रोत्साहित करता है। और इसे "13वीं पंचवर्षीय" नेशनल बेसिक रिसर्च स्पेशल प्लान (गुओ के फा जी [2017] नंबर 162) में शामिल करें। सुविधाजनक भंडारण, परिपक्व प्रौद्योगिकी, व्यापक अनुप्रयोग क्षेत्रों और भारी मांग के साथ कम लागत और प्रचुर मात्रा में CO2 और पानी को हाइड्रोकार्बन ईंधन में परिवर्तित करने के लिए सौर ऊर्जा का उपयोग एक हरित सौर रासायनिक रूपांतरण तकनीक है।

इस संदर्भ में, हालांकि, घर और विदेश में CO2 की कमी के क्षेत्र में बहुत सारे शोध कार्य हुए हैं, बहुत से काम ने सामग्री के डिजाइन के दृष्टिकोण से CO2 के रूपांतरण का एहसास किया है, जैसे कि उत्प्रेरक हाइड्रोजन उत्पादन के लिए अर्धचालक उत्प्रेरक या कार्बनिक पदार्थ का क्षरण। उत्प्रेरक प्रतिक्रिया या उत्पाद की चयनात्मकता को विनियमित किया जाता है (Adv। मैटर 2018, 30, 1704663)। हालांकि, उत्प्रेरक प्रतिक्रिया और प्रक्रिया नियंत्रण की प्राप्ति पर्याप्त परिपक्व नहीं है। अधिकांश शोधकर्ताओं द्वारा उपयोग की जाने वाली प्रतिक्रिया प्रणाली गैर-मानक "अर्ध-कस्टम" उपकरण और विश्लेषण प्रणाली हैं। इसलिए, लेखक का मानना है कि सामग्री डिजाइन महत्वपूर्ण है, और उपयुक्त प्रतिक्रिया प्रणाली और मूल्यांकन विधि अधिक महत्वपूर्ण है। प्रतिक्रिया प्रणाली CO2 कमी प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक पर्यावरणीय परिस्थितियों को संदर्भित करती है, जैसे प्रकाश, बिजली, समाधान, तापमान, दबाव, आदि; पता लगाने की विधि उत्पाद की स्थिति (जैसे गैस या तरल, चयनात्मकता, एकाग्रता), और कार्बन रूपांतरण दक्षता, फोटॉन दक्षता प्रतीक्षा को संदर्भित करती है।

कई संभव उत्प्रेरक CO2 कमी रणनीतियों, जैसे कि फोटोकैटलिसिस, फोटोलेक्ट्रोकाटलिसिस, फोटोथर्मल कटैलिसीस और थर्मल कैटलिसिस के बीच, प्रत्येक की अपनी खूबियां हैं। फोटोकैमिकली CO2 को कम करने और इसे हाइड्रोकार्बन ईंधन में परिवर्तित करने की तकनीक जो मनुष्यों के लिए फायदेमंद है, विशेष रूप से आकर्षक हैं। क्योंकि इसे सामान्य तापमान और दबाव पर किया जा सकता है, विशिष्ट तापमान और दबावों पर सहक्रियात्मक प्रभाव भी पड़ सकता है। आवश्यक ऊर्जा को प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रूप से अक्षय ऊर्जा द्वारा प्रदान किया जा सकता है जैसे सौर ऊर्जा, और कार्बन को पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है।

चित्रा 1 बैच और प्रवाह के रूप में उत्प्रेरक रिएक्टर (रसायन। एशियाई जे। 2016, 11, 425 - 436)

रिएक्टर के निर्माण के दो तरीके हैं (जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है)। एक निश्चित मात्रा रिएक्टर है जिसमें एक प्रतिक्रिया कच्चे माल जैसे सीओ 2, एच 2 या एच 2 ओ, एक उत्प्रेरक या एक कोकेटलिस्ट को रिएक्टर में रखा जाता है, और एक प्रतिक्रिया को प्रकाश, बिजली, गर्मी या उत्प्रेरक की तरह इंजेक्ट करके किया जाता है। । दूसरा एक फ्लो मेथड है, जो एक ऐसी प्रक्रिया है, जिसमें रिएक्टर में एक निश्चित दर से फीड गैस डाली जाती है और एक निश्चित अवधि के रिएक्शन के बाद, रिएक्टर से बाहर निकल जाती है। अध्ययन में पाया गया कि रिएक्टर सामग्री को आम तौर पर पॉलीटेट्राफ्लुओरोएथिलीन, क्वार्ट्ज ग्लास, स्टेनलेस स्टील में विभाजित किया जाता है। PTFE में उच्च शक्ति, संक्षारण प्रतिरोध और अच्छी सीलिंग के फायदे हैं, लेकिन एक कम तापमान सीमा है, आम तौर पर 250 डिग्री। क्वार्ट्ज रिएक्टर में तापमान प्रतिरोध और संक्षारण प्रतिरोध के फायदे हैं, लेकिन भंगुर है और इसमें कम संक्षारक ताकत है। धातु स्टेनलेस स्टील रिएक्टर में दबाव प्रतिरोध और आसान प्रसंस्करण के फायदे हैं, लेकिन अभिकारकों के साथ प्रतिक्रिया करना आसान है। आप अपनी आवश्यकताओं के लिए सही रिएक्टर का चयन कर सकते हैं। उसी समय, गैस या उत्पाद को समय पर पेश करने या बाहर निकालने के लिए, कच्चे माल के इंजेक्शन की सुविधा के लिए रिएक्टर डिज़ाइन में कुछ छेद खोले जाने चाहिए।

इसके अलावा, अधिक सामान्य प्रतिक्रिया रूप ठोस-तरल प्रतिक्रियाएं हैं: रिएक्टर में, CO2 गैस का एक संतृप्त समाधान कच्चे माल के रूप में उपयोग किया जाता है, या एक इलेक्ट्रोलाइट को इलेक्ट्रोकैलेटिक रिडक्शन रिएक्टर (छवि 2) में इंजेक्ट किया जाता है। कार्बन डाइऑक्साइड विद्युतीकरण के आंतरिक प्रतिक्रिया तंत्र में ठोस-तरल चरण तीन-चरण की सीमाओं का एक जटिल पथ शामिल है। इसलिए, उत्प्रेरक ज्यामिति का तर्कसंगत डिजाइन इंटरफ़ेस पर प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण को बढ़ावा देने के लिए यथासंभव प्रतिक्रियाशील साइटों की अनुमति देता है।

चित्र 2 ठोस-गैस और ठोस-तरल प्रतिक्रिया का योजनाबद्ध आरेख (रसायन। कम्यून।, 2016, 52, 35-59)

चित्रा 3 फोटोइलेक्ट्रोकलिटिक CO2 कमी रिएक्टर के योजनाबद्ध आरेख (जे। फोटॉन। ऊर्जा। 2017, 7 (1), 012005)

सामग्री के आकारिकी के आधार पर रिएक्टर में उत्प्रेरक का उपचार अलग होता है। उदाहरण के लिए, पाउडर सामग्री को क्वार्ट्ज ग्लास की सतह पर रखा जा सकता है; फिल्म सामग्री को रिएक्टर में तह, छिद्रण, आदि द्वारा रखा जा सकता है; थोक सामग्री (छिद्रपूर्ण सिरेमिक) सीओ 2 पुनर्स्थापना का एहसास करने के लिए गैस प्रवाह के माध्यम से गैस और उत्प्रेरक के बीच संपर्क दर को बढ़ा सकती है।

प्रकाश स्रोत का चयन: उत्प्रेरक प्रतिक्रिया स्रोत का चुनाव भी बहुत महत्वपूर्ण है। शोधकर्ताओं के लिए प्रभावी ऑप्टिकल बिजली घनत्व की समस्या पर ध्यान देना सार्थक है। इसलिए, खरीदे गए प्रकाश स्रोत, जैसे कि क्सीनन दीपक में आम तौर पर कुछ सौर प्रकाश की तीव्रता (एक सूर्य 1 किलोवाट / एम 2 के बराबर) से अधिक की फैक्टरी शक्ति होती है। इसलिए, इसे एक हीटिंग फ़िल्टर द्वारा विनियमित किया जा सकता है। अभिक्रिया को डिजाइन करने से पहले, वास्तविक मूल्य का परीक्षण करने के लिए ऑप्टिकल पॉवर मीटर का उपयोग किया जाना चाहिए। प्रकाश स्रोत की तीव्रता का इस्तेमाल किया।

उत्पाद मूल्यांकन: उत्प्रेरक उत्पाद का मूल्यांकन समग्र प्रणाली का अंतिम और सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा है। लिए गए उत्पादों को आम तौर पर ऑफ़लाइन (आमतौर पर "सुई प्रकार" के रूप में जाना जाता है) और ऑनलाइन पहचान (ऑनलाइन) में वर्गीकृत किया जाता है। उत्प्रेरक उत्पाद की प्रकृति के आधार पर, डिटेक्शन उपकरण में आमतौर पर गैस क्रोमैटोग्राफी, मास स्पेक्ट्रोमेट्री और तरल क्रोमैटोग्राफी होती है। प्रो. ये जिंहुआ, ओज़िन, ज़ू ज़िगांग, यांग पीडोंग, ली कैन, ज़ी यी, वू लिज़ु, और वांग शिनचेन जैसे प्रोफेसरों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

यह लेख गैस क्रोमैटोग्राफी पर केंद्रित है, जो हाल के अध्ययनों में सबसे आम उपकरण है। मुख्य घटकों में आमतौर पर डिटेक्टर, कॉलम, मीथेन सुधारक, सिक्स-वे वाल्व और लूप शामिल होते हैं। डिटेक्टर आमतौर पर दो प्रकार (हाइड्रोजन लौ डिटेक्टर) FID और (थर्मल पूल डिटेक्टर) TCD का उपयोग करता है। एफआईडी उच्च संवेदनशीलता के साथ कार्बन युक्त कार्बनिक पदार्थ का पता लगा सकता है, जबकि टीसीडी हाइड्रोजन, कार्बन मोनोऑक्साइड, कार्बन डाइऑक्साइड, आदि सहित सभी यौगिकों का पता लगा सकता है, लेकिन संवेदनशीलता कोण (~ 1000 पीपीएम) के साथ। इसलिए, अधिकांश शोधकर्ता FID डिटेक्टर को स्थापित करना चुनते हैं, और प्रतिक्रिया प्रक्रिया में अवशिष्ट CO2 या CO एक निकल उत्प्रेरक के साथ रूपांतरण भट्ठी द्वारा पता लगाया जा सकता है। अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि उत्पाद के वाष्पीकृत होने के बाद, वाहक गैस प्रवाह में उपयोग किए जाने वाले कॉलम भी अलग-अलग होते हैं, जो पहचान की संवेदनशीलता को प्रभावित करता है। उदाहरण के लिए, FID डिटेक्टर आमतौर पर एक केशिका स्तंभ का उपयोग करता है, और TCD डिटेक्टर एक TDX01 कॉलम का उपयोग करता है। जैसा कि नीचे दिखाए गए क्रोमैटोग्राम डिज़ाइन में दिखाया गया है, देश और विदेश में कई निर्माता अनुकूलित उत्पाद प्रदान कर सकते हैं, जैसे Agilent, Tianmei, Yanuo, Fuli और इतने पर। बेशक, क्योंकि सीओ 2 कमी के उत्पाद बहुत जटिल हैं, एच 2 और सीओ जैसे छोटे अणु हैं, साथ ही सी 1, सीएच 3 एचओ, फॉर्मिक एसिड और इथेनॉल जैसे कार्बनिक अणु जैसे सी 1 और सी 2 हैं। एकल कॉलम डिटेक्टर को एक बार में पूरी तरह से पता नहीं लगाया जा सकता है, और TCD और TCD की आवश्यकता होती है। FID संयुक्त है और विभिन्न प्रकार के कॉलम एक साथ उपयोग किए जाते हैं।

हाइड्रोकार्बन में CO2 की उत्प्रेरक कमी ऊर्जा और पर्यावरणीय समस्याओं को कम करने का एक हरा साधन बन गई है। कई वर्षों के शोध के आधार पर, Xiaobian ने उत्प्रेरक प्रतिक्रिया प्रणालियों और उत्पाद मूल्यांकन के महत्वपूर्ण ज्ञान को संकलित किया है, और उच्च दक्षता वाले उत्प्रेरक के डिजाइन के लिए एक अच्छा मंच प्रदान करने के लिए उसी क्षेत्र में शोधकर्ताओं की मदद करने की उम्मीद करता है।