Tło:

W ostatnich latach roczny wzrost globalnej emisji CO2 stanowił poważne zagrożenie dla środowiska ekologicznego, w którym żyją ludzie. (W 2018 r. Odnotowano 410 ppm - dane ze stacji monitorowania gazów cieplarnianych wulkanu Mauna Loa wulkanu National Oceanic and Atmospheric Administration na Mauna Loa). Dlatego wychwytywanie, składowanie i konwersja CO2 spotkały się z szerokim zainteresowaniem naukowców. Toyota Central Research wykorzystała wodę i dwutlenek węgla jako surowce do syntezy użytecznych substancji przy użyciu światła słonecznego, a efektywność konwersji energii wzrosła do najwyższej 4,6% na świecie. BASF w Niemczech przekształca dwutlenek węgla w węglanowy materiał polimerowy o szerokim zakresie zastosowań. Bayer może wykorzystywać dwutlenek węgla w spalinach z elektrowni cieplnych jako główny surowiec do produkcji materiałów poliuretanowych. Istnieje stabilny rynek katalizatorów do produkcji węglanów, ale wykorzystanie CO2 jest wciąż dalekie od wystarczającego. Konwersja paliw węglowodorowych jest nadal w podstawowym etapie badań. Trzynasty pięcioletni plan Chin i wspólne oświadczenie chińsko-amerykańskie w sprawie zmian klimatu uczyniły „redukcję emisji dwutlenku węgla” celem konstrukcyjnym, zachęcając do konwersji paliw na bazie CO2. I uwzględnij go w „Trzynastym pięcioletnim” krajowym planie specjalnym dotyczącym badań podstawowych (Guo Ke Fa Ji [2017] nr 162). Wykorzystanie energii słonecznej do przekształcania taniego i obfitego CO2 i wody w paliwo węglowodorowe dzięki wygodnemu magazynowaniu, dojrzałej technologii, szerokim zakresom zastosowań i ogromnemu popytowi jest technologią konwersji zielonej energii słonecznej na chemikalia.

Budowa systemu przebudowy:

W tym kontekście, pomimo wielu prac badawczych w dziedzinie redukcji CO2 w kraju i za granicą, wiele prac zrealizowało konwersję CO2 z perspektywy projektowania materiałów, takich jak półprzewodnikowe katalizatory do katalitycznej produkcji wodoru lub degradacja materii organicznej. Selektywność reakcji katalitycznej lub produktu jest regulowana (Adv. Mater. 2018, 30, 1704663). Realizacja reakcji katalitycznej i kontrola procesu nie są jednak wystarczająco dojrzałe. Systemy reakcji stosowane przez większość badaczy są niestandardowymi „pół niestandardowymi” urządzeniami i systemami analitycznymi. Dlatego autor uważa, że projekt materiału jest ważny, a ważniejszy jest odpowiedni system reakcji i metoda oceny. Układ reakcyjny odnosi się do warunków środowiskowych wymaganych dla reakcji redukcji CO2, takich jak światło, elektryczność, roztwór, temperatura, ciśnienie itp .; metoda wykrywania odnosi się do stanu produktu (takiego jak gaz lub ciecz, selektywność, stężenie) oraz wydajności konwersji węgla, wydajności fotonu Czekaj.
Spośród kilku możliwych strategii redukcji katalitycznego CO2, takich jak fotokataliza, fotoelektrokataliza, kataliza fototermiczna i kataliza termiczna, każda ma swoje zalety. Szczególnie atrakcyjne są techniki fotochemicznej redukcji CO2 i przekształcania go w paliwa węglowodorowe korzystne dla ludzi. Ponieważ można to przeprowadzić w normalnej temperaturze i ciśnieniu, efekty synergiczne mogą również wystąpić w określonych temperaturach i ciśnieniach. Wymagana energia może być dostarczona bezpośrednio lub pośrednio przez energię odnawialną, taką jak energia słoneczna, a węgiel można poddać recyklingowi.

Rycina 1 Reaktor katalityczny w postaci wsadu i przepływu (Chem. Asian J. 2016, 11, 425 - 436)
Istnieją dwa sposoby budowy reaktora (jak pokazano na ryc. 2). Jednym z nich jest reaktor o stałej objętości, w którym surowiec reakcyjny, taki jak CO2, H2 lub H2O, katalizator lub kokatalizator jest umieszczony w reaktorze, a reakcję przeprowadza się przez wstrzyknięcie do katalizatora światła, energii elektrycznej, ciepła itp. . Drugi to Metoda Przepływowa, która jest procesem, w którym gaz zasilający jest wprowadzany do reaktora z określoną prędkością i po pewnym okresie reakcji wypływa z reaktora. Badanie wykazało, że materiał reaktora jest ogólnie podzielony na politetrafluoroetylen, szkło kwarcowe, stal nierdzewna. PTFE ma zalety wysokiej wytrzymałości, odporności na korozję i dobrego uszczelnienia, ale ma niską granicę temperatury, zwykle 250 stopni. Reaktor kwarcowy ma zalety odporności na temperaturę i odporność na korozję, ale jest kruchy i ma niską wytrzymałość na ściskanie. Reaktor metalowy ze stali nierdzewnej ma zalety odporności na ciśnienie i łatwej obróbki, ale łatwo reaguje z reagentami. Możesz wybrać odpowiedni reaktor do swoich potrzeb. Jednocześnie, aby na czas wprowadzić lub usunąć gaz lub produkt, należy otworzyć kilka otworów w konstrukcji reaktora, aby ułatwić wstrzykiwanie surowców.
Ponadto, bardziej powszechnymi formami reakcji są reakcje ciało stałe-ciecz: w reaktorze jako surowiec stosuje się nasycony roztwór gazu CO2 lub elektrolit wstrzykuje się do elektrokatalitycznego reaktora redukcyjnego (ryc. 2). Wewnętrzny mechanizm reakcji elektroredukcji dwutlenku węgla obejmuje złożoną ścieżkę granic faz trójfazowych ciało stałe-ciecz. Dlatego racjonalna konstrukcja geometrii katalizatora pozwala na umieszczenie jak największej liczby miejsc reaktywnych w celu promowania transferu protonów i elektronów na interfejsie.

Rycina 2 Schemat reakcji gazu stałego i reakcji ciało stałe-ciecz (Chem. Commun., 2016, 52, 35–59)

Rycina 3 Schemat fotoelektrokatalitycznego reaktora do redukcji CO2 (J. Photon. Energy. 2017, 7 (1), 012005)

Magazynowanie:

Obróbka katalizatora w reaktorze jest różna w zależności od morfologii materiału. Na przykład materiał proszkowy można położyć na powierzchni szkła kwarcowego; materiał folii można umieścić w reaktorze przez złożenie, wykrawanie itp .; materiał sypki (porowata ceramika) może zwiększyć szybkość kontaktu między gazem a katalizatorem przez przepływ gazu, aby uzyskać przywrócenie CO2.
Wybór źródła światła: Wybór źródła reakcji katalitycznej jest również bardzo ważny. Warto, aby naukowcy zwrócili uwagę na problem rzeczywistej gęstości mocy optycznej. Dlatego zakupione źródło światła, takie jak lampa ksenonowa, ma na ogół moc fabryczną większą niż kilka natężeń światła słonecznego (jedno słońce odpowiada 1 kW / m2). Dlatego może być regulowany przez filtr grzewczy. Przed zaprojektowaniem reakcji należy użyć miernika mocy optycznej do przetestowania rzeczywistej wartości. Intensywność zastosowanego źródła światła.
Ocena produktu: Ocena produktu katalitycznego jest ostatnią i najważniejszą częścią całego układu. Pobrane produkty są ogólnie klasyfikowane jako offline (powszechnie znane jako „typ igły”) i wykrywanie online (online). W zależności od charakteru produktu katalitycznego sprzęt do wykrywania ma na ogół chromatografię gazową, spektrometrię masową i chromatografię cieczową. Powszechnie stosuje się takich profesorów, jak prof. Ye jinhua, Ozin, Zou zhigang, Yang peidong, Li can, Xie yi, Wu lizhu i Wang xinchen.
Ten artykuł koncentruje się na chromatografii gazowej, najczęściej stosowanym urządzeniu stosowanym w ostatnich badaniach. Podstawowe elementy zwykle obejmują detektory, kolumny, reformery metanu, zawory sześciodrogowe i pętle. Detektor zasadniczo wykorzystuje dwa typy (detektor wodoru) FID i (detektor basenu termicznego) TCD. FID może wykrywać materię organiczną zawierającą węgiel z wysoką czułością, podczas gdy TCD może wykrywać wszystkie związki, w tym wodór, tlenek węgla, dwutlenek węgla itp., Ale z kątem czułości (~ 1000 ppm). Dlatego większość badaczy decyduje się na zainstalowanie detektora FID, a resztkowy CO2 lub CO w procesie reakcji można wykryć w piecu konwersyjnym z katalizatorem niklowym. Co ważniejsze, po odparowaniu produktu kolumny stosowane w przepływie gazu nośnego są również różne, co wpływa na czułość wykrywania. Na przykład detektor FID zazwyczaj wykorzystuje kolumnę kapilarną, a detektor TCD wykorzystuje kolumnę TDX01. Jak pokazano na poniższym schemacie chromatogramu, wielu producentów w kraju i za granicą może dostarczać niestandardowe produkty, takie jak Agilent, Tianmei, Yanuo, Fuli i tak dalej. Oczywiście, ponieważ produkty redukcji CO2 są bardzo skomplikowane, istnieją małe cząsteczki, takie jak H2 i CO, a także cząsteczki organiczne, takie jak C1, CH3OH, kwas mrówkowy i etanol, takie jak C1 i C2. Detektora jednokolumnowego nie można całkowicie wykryć jednocześnie, a TCD i TCD są wymagane. FID jest łączony, a różne typy kolumn są używane razem.

Zanieczyszczenie węgla:

Kluczową kwestią, która wymaga szczególnej uwagi w badaniach nad redukcją CO2, jest zanieczyszczenie węglem. Badania wykazały, że rozpuszczalniki organiczne, w tym rozpuszczalniki, reagenty i środki powierzchniowo czynne stosowane w wytwarzaniu katalizatora, mogą pozostawiać pozostałości węglowe w produkcie końcowym i rozkładać się na małe cząsteczki, takie jak CO i CH4 podczas reakcji katalitycznej, co powoduje aktywność katalityczną. Przereklamowany. Dlatego konieczne jest potwierdzenie, że mierzony produkt pochodzi raczej z rozkładu CO2 niż z rozkładu pozostałości węglowych. Znakowanie izotopowe 13CO2 jest skuteczną techniką weryfikacji źródła produktów redukujących i było szeroko stosowane w wielu badaniach.

Wniosek:

Katalityczna redukcja CO2 do węglowodorów stała się zielonym środkiem łagodzenia problemów energetycznych i środowiskowych. Na podstawie wieloletnich badań Xiaobian zgromadził ważną wiedzę na temat systemów reakcji katalitycznych i oceny produktu, i ma nadzieję pomóc naukowcom z tej samej dziedziny w zapewnieniu dobrej platformy do projektowania katalizatorów o wysokiej wydajności.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

pl_PLPolski