배경:

최근 몇 년간 매년 전 세계 CO2 배출량 증가는 사람들이 사는 생태 환경에 심각한 위협이되었습니다. (2018 년에는 국립 해양 기상청 (National Oceanic and Atmospheric Administration)의 하와이 제도 Mauna Loa Volcano의 온실 가스 모니터링 스테이션에서 얻은 데이터가 410ppm입니다.) 따라서 이산화탄소의 포집, 저장 및 변환은 연구원들로부터 많은 관심을 받고있다. Toyota Central Research는 햇빛을 사용하여 유용한 물질을 합성하기 위해 물과 이산화탄소를 원료로 사용했으며 에너지 변환 효율은 세계에서 가장 높은 4.6%로 증가했습니다. 독일의 BASF는 이산화탄소를 광범위한 응용 분야에서 카보네이트 폴리머 재료로 변환합니다. Bayer는 폴리 우레탄 소재 생산을위한 주요 원료로 화력 발전소의 연도 가스에 이산화탄소를 사용할 수 있습니다. 탄산염 생산을위한 안정적인 촉매 시장이 있지만 CO2의 이용률은 여전히 충분하지 않다. 탄화수소 연료의 전환은 여전히 기본적인 응용 연구 단계에 있습니다. 중국의 제 13 차 5 개년 계획과 기후 변화에 관한 중미 합동 성명서는“탄소 감소”를 건설 목표로 삼고 CO2 기반 연료의 전환을 장려했습니다. 그리고“13 차 5 년”국가 기본 연구 특별 계획 (Guo Ke Fa Ji [2017] No. 162)에 포함 시키십시오. 저비용의 풍부한 CO2와 물을 편리한 저장, 성숙한 기술, 광범위한 응용 분야 및 막대한 수요로 탄화수소 연료로 변환하기 위해 태양 에너지를 사용하는 것은 녹색 태양 화학 변환 기술입니다.

재건 시스템 구축 :

이러한 맥락에서 국내외 CO2 감축 분야에 대한 많은 연구가 있었지만 촉매 수소 생산을위한 반도체 촉매와 같은 재료 설계의 관점에서 CO2의 전환을 실현하거나 유기물의 분해. 촉매 반응 또는 생성물의 선택성은 조절된다 (Adv. Mater. 2018, 30, 1704663). 그러나, 촉매 반응 및 공정 제어의 실현은 충분히 성숙되지 않았다. 대부분의 연구원들이 사용하는 반응 시스템은 비표준 "세미 맞춤형"장비 및 분석 시스템입니다. 따라서 저자는 재료 설계가 중요하며 적절한 반응 시스템과 평가 방법이 더 중요하다고 생각합니다. 반응 시스템은 빛, 전기, 용액, 온도, 압력 등과 같은 CO2 환원 반응에 필요한 환경 조건; 감지 방법은 제품 상태 (예 : 가스 또는 액체, 선택성, 농도) 및 탄소 변환 효율, 광자 효율 대기를 나타냅니다.
광촉매, 광전자 촉매, 광열 촉매 및 열 촉매와 같은 여러 가지 가능한 촉매 적 CO2 환원 전략 중 각각에는 고유 한 장점이 있습니다. CO2를 광 화학적으로 환원시키고이를 인간에게 유리한 탄화수소 연료로 전환시키는 기술이 특히 매력적이다. 상온과 압력에서 수행 할 수 있기 때문에 특정 온도와 압력에서도 시너지 효과가 발생할 수 있습니다. 필요한 에너지는 태양 에너지와 같은 재생 가능 에너지에 의해 직접 또는 간접적으로 제공 될 수 있으며, 탄소는 재활용 될 수있다.

그림 1 배치 및 흐름 형태의 촉매 반응기 (Chem. Asian J. 2016, 11, 425 – 436)
반응기를 구성하는 방법은 두 가지가 있습니다 (그림 2 참조). 하나는 CO2, H2 또는 H2O와 같은 반응 원료, 촉매 또는 공 촉매를 반응기에 넣고, 빛, 전기, 열 등을 촉매에 주입하여 반응하는 고정 부피 반응기이다. . 두 번째는 흐름 방법으로, 공급 가스가 일정한 속도로 반응기에 유입되고 일정한 반응 기간이 지나면 반응기 밖으로 유출되는 공정입니다. 이 연구는 원자로 재료가 일반적으로 폴리 테트라 플루오로 에틸렌, 석영 유리, 스테인리스 스틸로 나뉜다는 것을 발견했습니다. PTFE는 강도, 내식성 및 밀봉 성이 우수하지만 일반적으로 250 도의 저온 한계를 가지고 있습니다. 석영 반응기는 내열성 및 내식성의 장점을 갖지만 취성이며 압축 강도가 낮다. 금속 스테인레스 스틸 반응기는 내압성 및 용이 한 가공의 장점을 가지나 반응물과 반응하기 쉽다. 필요에 따라 적합한 원자로를 선택할 수 있습니다. 동시에, 가스 또는 제품을 적시에 도입하거나 꺼내기 위해서는 원자로의 주입을 용이하게하기 위해 반응기 설계에서 몇 개의 구멍을 열어야한다.
또한,보다 일반적인 반응 형태는 고체-액체 반응이다 : 반응기에서, CO2 가스의 포화 용액이 원료로 사용되거나 전해질이 전기 촉매 환원 반응기에 주입된다 (도 2). 이산화탄소 전기 환원의 고유 반응 메커니즘은 고 액상 삼상 경계의 복잡한 경로를 포함한다. 따라서, 촉매 구조의 합리적인 설계는 계면에서 양성자와 전자 이동을 촉진하기 위해 가능한 많은 반응성 부위를 허용한다.

그림 2 고체 가스 및 고체 액체 반응의 개략도 (Chem. Commun., 2016, 52, 35–59)

그림 3 광전 촉매 CO2 환원 반응기의 개략도 (J. Photon. Energy. 2017, 7 (1), 012005)

자재 취급 :

반응기에서 촉매의 처리는 물질의 형태에 따라 다르다. 예를 들어, 분말 재료는 석영 유리의 표면에 놓일 수 있으며; 필름 재료는 접힘, 펀칭 등에 의해 반응기에 배치 될 수 있으며; 벌크 재료 (다공성 세라믹)는 가스 흐름에 의해 가스와 촉매 사이의 접촉 속도를 증가시켜 CO2 복원을 실현할 수있다.
광원 선택 : 촉매 반응 소스의 선택도 매우 중요합니다. 연구자들은 효과적인 광 출력 밀도 문제에주의를 기울일 가치가있다. 따라서, 크세논 램프와 같이 구매 된 광원은 일반적으로 몇 개의 태양 광 강도 이상의 공장 전력을 갖습니다 (한 태양은 1 kW / m2에 해당). 따라서 가열 필터로 조절할 수 있습니다. 반응을 설계하기 전에 실제 값을 테스트하기 위해 광 파워 미터를 사용해야합니다. 사용 된 광원의 강도.
제품 평가 : 촉매 제품의 평가는 전체 시스템의 마지막이자 가장 중요한 부분입니다. 일반적으로 사용되는 제품은 오프라인 (일반적으로 "바늘 유형")과 온라인 감지 (온라인)로 분류됩니다. 촉매 생성물의 성질에 따라, 검출 장비는 일반적으로 가스 크로마토 그래피, 질량 분석법 및 액체 크로마토 그래피를 갖는다. Ye jinhua, Ozin, Zou zhigang, Yang peidong, Li can, Xie yi, Wu lizhu 및 Wang xinchen 교수가 널리 사용됩니다.
이 기사는 최근 연구에서 가장 많이 사용되는 장치 인 가스 크로마토 그래피에 중점을 둡니다. 핵심 구성 요소에는 일반적으로 검출기, 컬럼, 메탄 개질기, 6 방향 밸브 및 루프가 포함됩니다. 검출기는 일반적으로 2 가지 유형 (수소 화염 검출기) FID 및 (열 풀 검출기) TCD를 사용한다. FID는 높은 감도로 탄소 함유 유기물을 감지 할 수있는 반면, TCD는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등 모든 화합물을 감지 할 수 있지만 감도 각도 (~ 1000ppm)로 감지 할 수 있습니다. 따라서 대부분의 연구자들은 FID 검출기를 설치하기로 선택했으며, 반응 공정에서 잔류 CO2 또는 CO는 니켈 촉매를 사용하는 전환로에서 감지 할 수 있습니다. 더 중요한 것은, 제품이 기화 된 후, 캐리어 가스 흐름에 사용되는 컬럼도 다르기 때문에 검출 감도에 영향을줍니다. 예를 들어, FID 검출기는 일반적으로 모세관 컬럼을 사용하고 TCD 검출기는 TDX01 컬럼을 사용합니다. 아래에 표시된 크로마토 그램 디자인에서 볼 수 있듯이 국내외 많은 제조업체에서 Agilent, Tianmei, Yanuo, Fuli 등과 같은 맞춤형 제품을 제공 할 수 있습니다. 물론, CO2 환원 생성물은 매우 복잡하기 때문에, H2 및 CO와 같은 소분자뿐만 아니라 C1, CH3OH, 포름산 및 에탄올 (예 : C1 및 C2)과 같은 유기 분자가 존재한다. 단일 컬럼 검출기를 한 번에 완전히 감지 할 수 없으며 TCD 및 TCD가 필요합니다. FID가 결합되고 여러 유형의 열이 함께 사용됩니다.

탄소 오염 :

이산화탄소 감소 연구에서 특별한주의가 필요한 주요 이슈는 탄소 오염입니다. 연구 결과에 따르면 촉매 제조에 사용되는 용매, 반응물 및 계면 활성제를 포함한 유기 용매는 최종 생성물에 탄소 성 잔류 물을 남기고 촉매 반응 동안 CO 및 CH4와 같은 작은 분자로 분해되어 촉매 활성을 초래할 수 있습니다. 과대 평가되었습니다. 따라서, 측정 된 생성물이 탄소 질 잔류 물의 분해보다는 CO2의 분해에서 나온 것임을 확인해야한다. 동위 원소 13CO2 라벨링은 환원 원의 출처를 확인하는 효과적인 기술이며 많은 연구에서 널리 사용되었습니다.

결론:

탄화수소로의 이산화탄소의 촉매 환원은 에너지 및 환경 문제를 완화시키는 녹색 수단이되었다. 수년간의 연구를 바탕으로 Xiaobian은 촉매 반응 시스템 및 제품 평가에 대한 중요한 지식을 수집했으며 같은 분야의 연구원들이 고효율 촉매 설계를위한 훌륭한 플랫폼을 제공 할 수 있도록 돕고 자합니다.

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