Fundo:

Nos últimos anos, o aumento anual das emissões globais de CO2 tem sido uma séria ameaça ao ambiente ecológico em que as pessoas vivem. (Houve 410 ppm em 2018 – dados da estação de monitoramento de gases de efeito estufa do Vulcão Mauna Loa, nas Ilhas Havaianas da Administração Nacional Oceânica e Atmosférica). Portanto, a captura, armazenamento e conversão de CO2 tem recebido grande atenção dos pesquisadores. A Toyota Central Research usou água e dióxido de carbono como matérias-primas para sintetizar substâncias úteis usando a luz solar, e a eficiência de conversão de energia aumentou para os 4,6% mais altos do mundo. A BASF na Alemanha converte o dióxido de carbono em um material polimérico de carbonato com uma ampla gama de aplicações. A Bayer pode usar dióxido de carbono em gases de combustão de usinas termelétricas como principal matéria-prima para a produção de materiais de poliuretano. Existe um mercado de catalisadores estável para a produção de carbonatos, mas a utilização de CO2 ainda está longe de ser suficiente. A conversão de combustíveis de hidrocarbonetos ainda está em fase de pesquisa básica de aplicação. O 13º Plano Quinquenal da China e a Declaração Conjunta Sino-Americana sobre Mudanças Climáticas fizeram da “redução de carbono” uma meta de construção, incentivando a conversão de combustíveis à base de CO2. E incluí-lo no Plano Especial Nacional de Pesquisa Básica “13º Quinquenal” (Guo Ke Fa Ji [2017] No. 162). O uso da energia solar para converter CO2 e água de baixo custo e abundante em um combustível de hidrocarboneto com armazenamento conveniente, tecnologia madura, amplos campos de aplicação e enorme demanda é uma tecnologia de conversão química solar verde.

Construção do sistema de reconstrução:

Nesse contexto, embora tenha havido muito trabalho de pesquisa no campo da redução de CO2 no país e no exterior, muitos trabalhos perceberam a conversão de CO2 na perspectiva do design de materiais, como catalisadores semicondutores para produção catalítica de hidrogênio ou degradação da matéria orgânica. A seletividade da reação ou produto catalítico é regulada (Adv. Mater. 2018, 30, 1704663). No entanto, a realização da reação catalítica e o controle do processo não estão maduros o suficiente. Os sistemas de reação usados pela maioria dos pesquisadores são equipamentos e sistemas de análise “semi-customizados” não padronizados. Portanto, o autor acredita que o design do material é importante, e o sistema de reação apropriado e o método de avaliação são mais importantes. O sistema de reação refere-se às condições ambientais necessárias para a reação de redução de CO2, como luz, eletricidade, solução, temperatura, pressão, etc.; o método de detecção refere-se ao estado do produto (como gás ou líquido, seletividade, concentração) e eficiência de conversão de carbono, eficiência de fótons Aguarde.
Entre várias estratégias de redução catalítica de CO2 viáveis, como fotocatálise, fotoeletrocatálise, catálise fototérmica e catálise térmica, cada uma tem seus próprios méritos. Técnicas para reduzir fotoquimicamente o CO2 e convertê-lo em combustíveis de hidrocarbonetos que são benéficos para os seres humanos são particularmente atraentes. Como pode ser realizado em temperatura e pressão normais, os efeitos sinérgicos também podem ocorrer em temperaturas e pressões específicas. A energia necessária pode ser fornecida direta ou indiretamente por energia renovável, como a energia solar, e o carbono pode ser reciclado.

Sistema de reação catalítica e avaliação do produto para melhorar a eficiência da fotossíntese artificial 1

Figura 1 Reator catalítico na forma de Lote e Fluxo (Chem. Asian J. 2016, 11, 425 – 436)
Existem duas maneiras de construir o reator (como mostrado na Figura 2). Um é um reator de volume fixo no qual uma matéria-prima de reação, como CO2, H2 ou H2O, um catalisador ou um cocatalisador é colocado em um reator, e uma reação é realizada injetando luz, eletricidade, calor ou similares no catalisador. . O segundo é um método de fluxo, que é um processo no qual um gás de alimentação é introduzido no reator a uma determinada taxa e, após um certo período de reação, flui para fora do reator. O estudo descobriu que o material do reator é geralmente dividido em politetrafluoretileno, vidro de quartzo, aço inoxidável. PTFE tem as vantagens de alta resistência, resistência à corrosão e boa vedação, mas tem um limite de baixa temperatura, geralmente 250 graus. O reator de quartzo tem as vantagens de resistência à temperatura e resistência à corrosão, mas é frágil e tem baixa resistência à compressão. O reator de aço inoxidável metálico tem as vantagens de resistência à pressão e fácil processamento, mas é fácil reagir com os reagentes. Você pode escolher o reator certo para suas necessidades. Ao mesmo tempo, para introduzir ou retirar o gás ou produto em tempo hábil, alguns orifícios devem ser abertos no projeto do reator para facilitar a injeção de matérias-primas.
Além disso, as formas de reação mais comuns são reações sólido-líquido: no reator, uma solução saturada de gás CO2 é usada como matéria-prima, ou um eletrólito é injetado em um reator de redução eletrocatalítica (Fig. 2). O mecanismo de reação intrínseco da eletrorredução do dióxido de carbono envolve um caminho complexo de limites trifásicos de fase sólido-líquido. Portanto, o projeto racional da geometria do catalisador permite que tantos sítios reativos quanto possível promovam a transferência de prótons e elétrons na interface.

Sistema de reação catalítica e avaliação do produto para melhorar a eficiência da fotossíntese artificial 2

Figura 2 Diagrama esquemático da reação sólido-gás e sólido-líquido (Chem. Commun., 2016, 52, 35-59)

Sistema de reação catalítica e avaliação do produto para melhorar a eficiência da fotossíntese artificial 3

Figura 3 Diagrama esquemático do reator de redução fotoeletrocatalítica de CO2 (J. Photon. Energy. 2017, 7(1), 012005)

Manuseio de materiais:

O tratamento do catalisador no reator é diferente dependendo da morfologia do material. Por exemplo, o material em pó pode ser colocado na superfície do vidro de quartzo; o material do filme pode ser colocado no reator dobrando, perfurando, etc.; o material a granel (cerâmica porosa) pode aumentar a taxa de contato entre o gás e o catalisador pelo fluxo de gás para realizar a restauração de CO2.
Seleção da fonte de luz: A escolha da fonte de reação catalítica também é muito importante. Vale a pena que os pesquisadores prestem atenção ao problema da densidade de potência óptica efetiva. Portanto, a fonte de luz adquirida, como a lâmpada de xenônio, geralmente tem uma potência de fábrica de mais do que uma intensidade de luz solar (um sol é equivalente a 1 kW/m2). Portanto, pode ser regulado por um filtro de aquecimento. Antes de projetar a reação, o medidor de potência óptica deve ser usado para testar o valor real. A intensidade da fonte de luz utilizada.
Avaliação do produto: A avaliação do produto catalítico é a última e mais importante parte do sistema geral. Os produtos retirados são geralmente classificados em offline (vulgarmente conhecido como “tipo agulha”) e detecção online (online). Dependendo da natureza do produto catalítico, o equipamento de detecção geralmente possui cromatografia gasosa, espectrometria de massa e cromatografia líquida. Professores como o Prof. Ye jinhua, Ozin, Zou zhigang, Yang peidong, Li can, Xie yi, Wu lizhu e Wang xinchen são amplamente utilizados.
Este artigo se concentra na cromatografia gasosa, o dispositivo mais comum usado em estudos recentes. Os componentes principais normalmente incluem detectores, colunas, reformadores de metano, válvulas de seis vias e loops. O detector geralmente usa dois tipos (detector de chama de hidrogênio) FID e (detector de piscina térmica) TCD. O FID pode detectar matéria orgânica contendo carbono com alta sensibilidade, enquanto o TCD pode detectar todos os compostos, incluindo hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, etc., mas com um ângulo de sensibilidade (~1000 ppm). Portanto, a maioria dos pesquisadores opta por instalar o detector FID, e o CO2 ou CO residual no processo de reação pode ser detectado por um forno de conversão com catalisador de níquel. Mais importante, depois que o produto é vaporizado, as colunas usadas no fluxo de gás de arraste também são diferentes, o que afeta a sensibilidade de detecção. Por exemplo, o detector FID geralmente usa uma coluna capilar e o detector TCD usa uma coluna TDX01. Conforme mostrado no design do cromatograma mostrado abaixo, muitos fabricantes no país e no exterior podem fornecer produtos personalizados, como Agilent, Tianmei, Yanuo, Fuli e assim por diante. É claro que, como os produtos da redução de CO2 são muito complicados, existem pequenas moléculas como H2 e CO, bem como moléculas orgânicas como C1, CH3OH, ácido fórmico e etanol, como C1 e C2. O detector de coluna única não pode ser detectado completamente de uma só vez, e o TCD e o TCD são necessários. O FID é combinado e os diferentes tipos de colunas são usados juntos.

Poluição por carbono:

Uma questão-chave que requer atenção especial na pesquisa de redução de CO2 é a poluição por carbono. Estudos mostraram que solventes orgânicos, incluindo solventes, reagentes e surfactantes usados na preparação do catalisador, podem deixar resíduos carbonosos no produto final e se decompor em pequenas moléculas como CO e CH4 durante a reação catalítica, resultando em atividade catalítica. Superestimada. Portanto, é necessário confirmar que o produto medido provém da decomposição do CO2 e não da decomposição do resíduo carbonáceo. A marcação do isótopo 13CO2 é uma técnica eficaz para verificar a origem dos produtos redutores e tem sido amplamente utilizada em muitos estudos.

Conclusão:

A redução catalítica de CO2 a hidrocarbonetos tornou-se um meio verde de mitigar problemas energéticos e ambientais. Com base em muitos anos de pesquisa, Xiaobian compilou conhecimento importante de sistemas de reação catalítica e avaliação de produtos, e espera ajudar pesquisadores no mesmo campo a fornecer uma boa plataforma para o projeto de catalisadores de alta eficiência.

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