バックグラウンド:

近年、地球規模でのCO2排出量の年々の増加は、人々が生活する生態環境への深刻な脅威となっています。 (2018年には410 ppmでした-米国海洋大気庁のハワイ諸島のマウナロア火山の温室効果ガス監視ステーションからのデータ)。そのため、CO2の回収、貯蔵、変換は研究者から大きな注目を集めています。トヨタ中央研究所は、水と二酸化炭素を原料として太陽光を利用した有用物質の合成を行い、エネルギー変換効率は世界最高の4.6%にまで向上しました。ドイツのBASFは、幅広い用途で二酸化炭素をカーボネートポリマー材料に変換します。バイエルは、火力発電所からの煙道ガスに含まれる二酸化炭素を、ポリウレタン原料の主な原料として使用できます。炭酸塩の生産には安定した触媒市場がありますが、CO2の利用はまだ十分とは言えません。炭化水素燃料の変換は、まだ応用の基礎研究段階にあります。中国の第13次5カ年計画と中米の気候変動に関する共同声明では、「炭素削減」を建設目標としており、CO2ベースの燃料の転換を奨励しています。そして、それを「第13次5か年」国家基礎研究特別計画(国ケ法記[2017]第162号)に含めます。低コストで豊富なCO2と水を炭化水素燃料に変換するための太陽エネルギーの使用は、便利な貯蔵、成熟した技術、幅広い応用分野、そして大きな需要により、グリーンな太陽化学変換技術です。

復興システム構築:

このような状況下、国内外でCO2削減の研究は数多く行われてきましたが、触媒水素製造用半導体触媒や、有機物の分解。触媒反応または生成物の選択性は規制されています(Adv。Mater。2018、30、1704663)。しかし、触媒反応やプロセス制御の実現は十分に成熟していません。ほとんどの研究者が使用している反応システムは、非標準の「セミカスタム」の装置と分析システムです。したがって、著者は材料設計が重要であり、適切な反応システムと評価方法がより重要であると考えています。反応系とは、CO2還元反応に必要な光、電気、溶液、温度、圧力などの環境条件を指します。検出方法とは、生成物の状態(気体または液体、選択性、濃度など)、および炭素変換効率、光子効率を指します。
光触媒作用、光電気触媒作用、光熱触媒作用、熱触媒作用など、実現可能ないくつかの触媒CO2削減戦略には、それぞれ独自のメリットがあります。 CO2を光化学的に還元し、それを人間に有益な炭化水素燃料に変換する技術は特に魅力的です。常温常圧で実施できるため、特定の温度、常圧でも相乗効果が期待できます。必要なエネルギーは、太陽エネルギーなどの再生可能エネルギーによって直接的または間接的に提供でき、炭素はリサイクルできます。

図1バッチアンドフロー形式の触媒反応器(Chem。Asian J. 2016、11、425 – 436)
リアクターを構築するには2つの方法があります(図2を参照)。 1つは、CO2、H2、H2Oなどの反応原料、触媒または助触媒を反応器に入れ、光、電気、熱などを触媒に投入して反応を行う定容反応器である。 。 2つ目は、フローメソッドです。これは、供給ガスが特定の速度で反応器に導入され、特定の反応期間の後、反応器から流出するプロセスです。この研究では、反応器の材料は一般にポリテトラフルオロエチレン、石英ガラス、ステンレス鋼に分けられることがわかりました。 PTFEには、高強度、耐食性、優れた密閉性という利点がありますが、温度限界が低く、一般的には250度です。石英反応器は、温度耐性と耐食性の利点がありますが、もろく、圧縮強度が低いです。金属ステンレス鋼反応器は、耐圧性と処理の容易さという利点がありますが、反応物との反応が容易です。ニーズに合った適切なリアクターを選択できます。同時に、ガスまたは生成物を適時に導入または取り出すために、原料の注入を容易にするために、反応器の設計にいくつかの穴を開ける必要があります。
さらに、より一般的な反応形態は固液反応です。反応器では、CO2ガスの飽和溶液を原料として使用するか、電解質を電気触媒還元反応器に注入します(図2)。二酸化炭素の電気還元の固有の反応メカニズムには、固液相の三相境界の複雑な経路が含まれます。したがって、触媒形状の合理的な設計により、界面でのプロトンと電子の移動を促進するために、できるだけ多くの反応サイトが可能になります。

図2固気および固液反応の模式図(Chem。Commun。、2016、52、35–59)

図3光電気触媒CO2還元反応器の概略図(J. Photon。Energy。2017、7(1)、012005)

マテリアルハンドリング:

反応器内の触媒の処理は、材料の形態によって異なります。例えば、粉末材料を石英ガラスの表面に置くことができる。フィルム材料は、折りたたみ、パンチングなどによって反応器に入れることができる。バルク材料(多孔質セラミック)は、ガスの通過によりガスと触媒間の接触率を高め、CO2の回復を実現します。
光源の選択:触媒反応源の選択も非常に重要です。研究者が実効光パワー密度の問題に注意を払うことは価値があります。したがって、キセノンランプなどの購入した光源は、一般に、工場出荷時の電力が数太陽光強度(1太陽は1 kW / m2に相当)を超えます。したがって、加熱フィルターで調整できます。反応を設計する前に、光パワーメーターを使用して実際の値をテストする必要があります。使用される光源の強度。
製品の評価:触媒製品の評価は、システム全体の最後で最も重要な部分です。取得される製品は、一般にオフライン(一般に「針のタイプ」として知られています)とオンライン検出(オンライン)に分類されます。触媒製品の性質にもよりますが、検出装置には一般的にガスクロマトグラフィー、質量分析、液体クロマトグラフィーがあります。イェ・ジンフア教授、オジン、ゾウ・ジガン、ヤン・ペイドン、リー・カン、シェイ・イー、ウー・リズー、ワン・シンチェンなどの教授が広く使用されています。
この記事では、最近の研究で使用されている最も一般的なデバイスであるガスクロマトグラフィーに焦点を当てています。コアコンポーネントには、通常、検出器、カラム、メタン改質装置、6方向バルブ、ループが含まれます。検出器は一般に2つのタイプ(水素炎検出器)FIDと(熱プール検出器)TCDを使用します。 FIDは炭素含有有機物を高感度で検出できますが、TCDは水素、一酸化炭素、二酸化炭素などを含むすべての化合物を検出できますが、感度角度(〜1000 ppm)です。そのため、ほとんどの研究者はFID検出器の設置を選択し、反応過程での残留CO2またはCOは、ニッケル触媒を備えた変換炉で検出できます。さらに重要なのは、製品が気化した後、キャリアガスフローで使用されるカラムも異なり、これが検出感度に影響を与えることです。たとえば、FID検出器は一般にキャピラリカラムを使用し、TCD検出器はTDX01カラムを使用します。以下に示すクロマトグラムのデザインに示すように、国内外の多くのメーカーが、Agilent、Tianmei、Yanuo、Fuliなどのカスタマイズされた製品を提供できます。もちろん、CO2削減の生成物は非常に複雑であるため、H2やCOなどの小さな分子だけでなく、C1、CH3OH、ギ酸、C1やC2などのエタノールなどの有機分子もあります。シングルカラム検出器は一度に完全に検出することはできず、TCDとTCDが必要です。 FIDが組み合わされ、異なるタイプのカラムが一緒に使用されます。

炭素汚染:

CO2削減の研究で特別な注意を必要とする重要な問題は、炭素汚染です。研究により、触媒の調製に使用される溶媒、反応物、界面活性剤などの有機溶媒は、最終生成物に炭素質残留物を残し、触媒反応中にCOやCH4などの小分子に分解して、触媒活性をもたらすことがわかっています。過大評価。したがって、測定対象物が炭素質残渣の分解ではなく、CO2の分解によるものであることを確認する必要があります。同位体13CO2標識は、還元生成物の発生源を検証するための効果的な手法であり、多くの研究で広く使用されています。

結論:

CO2の炭化水素への接触還元は、エネルギーと環境問題を緩和するグリーンな手段になりました。長年の研究に基づいて、Xiaobianは触媒反応システムと製品評価の重要な知識をまとめており、同じ分野の研究者が高効率触媒の設計のための優れたプラットフォームを提供できるよう支援したいと考えています。

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