Yapay fotosentez etkinliğini artırmak için katalitik reaksiyon sistemi ve ürün değerlendirmesi

Son yıllarda, küresel CO2 emisyonlarındaki yıllık artış, insanların yaşadığı ekolojik çevre için ciddi bir tehdit oluşturuyor. (2018'de 410 ppm olmuştur - Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi'nin Hawai Adaları Mauna Loa Volkanı'nın sera gazı izleme istasyonundan alınan veriler). Bu nedenle CO2'nin yakalanması, depolanması ve dönüştürülmesi araştırmacıların büyük ilgisini çekmiştir. Toyota Central Research, güneş ışığını kullanarak faydalı maddeleri sentezlemek için hammadde olarak su ve karbondioksit kullandı ve enerji dönüşüm verimliliği dünyadaki en yüksek 4.6%'ye yükseldi. Almanya'daki BASF, karbon dioksiti çok çeşitli uygulamalarla karbonat polimer malzemeye dönüştürüyor. Bayer, poliüretan malzemelerin üretiminde ana hammadde olarak termik santrallerden çıkan baca gazındaki karbondioksiti kullanabilmektedir. Karbonat üretimi için istikrarlı bir katalizör piyasası var, ancak CO2 kullanımı hala yeterli olmaktan uzak. Hidrokarbon yakıtların dönüştürülmesi, henüz uygulamanın temel araştırma aşamasındadır. Çin'in 13. Beş Yıllık Planı ve İklim Değişikliği Üzerine Çin-ABD Ortak Bildirisi, “karbon azaltımını” bir inşaat hedefi haline getirerek CO2 bazlı yakıtların dönüşümünü teşvik ediyor. Ve bunu “13. Beş Yıllık” Ulusal Temel Araştırma Özel Planına dahil edin (Guo Ke Fa Ji [2017] No. 162). Uygun depolama, olgun teknoloji, geniş uygulama alanları ve büyük talep ile düşük maliyetli ve bol CO2 ve suyu bir hidrokarbon yakıta dönüştürmek için güneş enerjisinin kullanımı, yeşil bir güneş kimyasal dönüşüm teknolojisidir.

Bu bağlamda, yurtiçinde ve yurtdışında CO2 azaltımı alanında çok sayıda araştırma çalışmasına rağmen, katalitik hidrojen üretimi için yarı iletken katalizörler veya organik maddenin bozulması. Katalitik reaksiyonun veya ürünün seçiciliği düzenlenir (Adv. Mater. 2018, 30, 1704663). Ancak katalitik reaksiyonun gerçekleştirilmesi ve proses kontrolü yeterince olgunlaşmamıştır. Çoğu araştırmacı tarafından kullanılan reaksiyon sistemleri, standart olmayan “yarı özel” ekipman ve analiz sistemleridir. Bu nedenle yazar, malzeme tasarımının önemli olduğuna ve uygun reaksiyon sistemi ve değerlendirme yönteminin daha önemli olduğuna inanmaktadır. Reaksiyon sistemi, ışık, elektrik, çözelti, sıcaklık, basınç vb. gibi CO2 indirgeme reaksiyonu için gerekli olan çevresel koşulları ifade eder; algılama yöntemi, ürünün durumuna (gaz veya sıvı, seçicilik, konsantrasyon gibi) ve karbon dönüşüm verimliliğine, foton verimliliğine atıfta bulunur.

Fotokataliz, fotoelektrokataliz, fototermal kataliz ve termal kataliz gibi birkaç uygulanabilir katalitik CO2 indirgeme stratejisi arasında, her birinin kendi yararları vardır. CO2'yi fotokimyasal olarak azaltma ve onu insanlar için faydalı olan hidrokarbon yakıtlara dönüştürme teknikleri özellikle çekicidir. Normal sıcaklık ve basınçta gerçekleştirilebildiğinden, belirli sıcaklık ve basınçlarda da sinerjik etkiler meydana gelebilir. Gereken enerji, güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji ile doğrudan veya dolaylı olarak sağlanabilir ve karbon geri dönüştürülebilir.

Şekil 1 Parti ve Akış şeklinde katalitik reaktör (Chem. Asian J. 2016, 11, 425 – 436)

Reaktörü inşa etmenin iki yolu vardır (Şekil 2'de gösterildiği gibi). Biri, CO2, H2 veya H2O gibi bir reaksiyon hammaddesinin, bir katalizörün veya bir yardımcı katalizörün bir reaktöre yerleştirildiği ve katalizöre ışık, elektrik, ısı veya benzeri enjekte edilerek bir reaksiyonun gerçekleştirildiği sabit hacimli bir reaktördür. . İkincisi, bir besleme gazının reaktöre belirli bir oranda verildiği ve belirli bir reaksiyon periyodundan sonra reaktörden dışarı aktığı bir işlem olan Akış Yöntemidir. Çalışma, reaktör malzemesinin genellikle politetrafloroetilen, kuvars camı, paslanmaz çelik olarak bölündüğünü buldu. PTFE, yüksek mukavemet, korozyon direnci ve iyi sızdırmazlık avantajlarına sahiptir, ancak genellikle 250 derece gibi düşük bir sıcaklık sınırına sahiptir. Kuvars reaktör, sıcaklık direnci ve korozyon direnci avantajlarına sahiptir, ancak kırılgandır ve düşük basınç dayanımına sahiptir. Metal paslanmaz çelik reaktör, basınç direnci ve kolay işleme avantajlarına sahiptir, ancak reaktanlarla reaksiyona girmesi kolaydır. İhtiyaçlarınız için doğru reaktörü seçebilirsiniz. Aynı zamanda, gaz veya ürünü zamanında vermek veya çıkarmak için, hammadde enjeksiyonunu kolaylaştırmak için reaktör tasarımında birkaç delik açılmalıdır.

Ek olarak, daha yaygın reaksiyon biçimleri katı-sıvı reaksiyonlarıdır: reaktörde ham madde olarak doymuş bir CO2 gazı çözeltisi kullanılır veya bir elektrokatalitik indirgeme reaktörüne bir elektrolit enjekte edilir (Şekil 2). Karbondioksit elektro-indirgemesinin içsel reaksiyon mekanizması, katı-sıvı faz üç-faz sınırlarının karmaşık bir yolunu içerir. Bu nedenle, katalizör geometrisinin rasyonel tasarımı, arayüzde proton ve elektron transferini teşvik etmek için mümkün olduğunca çok sayıda reaktif bölgeye izin verir.

Şekil 2 Katı-gaz ve katı-sıvı reaksiyonunun şematik diyagramı (Chem. Commun., 2016, 52, 35–59)

Şekil 3 Fotoelektrokatalitik CO2 indirgeme reaktörünün şematik diyagramı (J. Photon. Energy. 2017, 7(1), 012005)

Katalizörün reaktörde işlenmesi, malzemenin morfolojisine bağlı olarak farklıdır. Örneğin, toz malzeme kuvars camın yüzeyine serilebilir; film malzemesi, katlama, delme, vb. ile reaktöre yerleştirilebilir; dökme malzeme (gözenekli seramik), CO2 Geri Yüklemesini gerçekleştirmek için gaz akışı yoluyla gaz ve katalizör arasındaki temas oranını artırabilir.

Işık kaynağı seçimi: Katalitik reaksiyon kaynağının seçimi de çok önemlidir. Araştırmacıların etkin optik güç yoğunluğu sorununa dikkat etmeleri faydalı olacaktır. Bu nedenle, satın alınan ksenon lamba gibi ışık kaynağı genellikle birkaç güneş ışığı yoğunluğundan daha fazla bir fabrika gücüne sahiptir (bir güneş 1 kW/m2'ye eşittir). Bu nedenle, bir ısıtma filtresi tarafından düzenlenebilir. Reaksiyonu tasarlamadan önce, gerçek değeri test etmek için optik güç ölçer kullanılmalıdır. Kullanılan ışık kaynağının yoğunluğu.

Ürün Değerlendirmesi: Katalitik ürünün değerlendirilmesi, tüm sistemin son ve en önemli kısmıdır. Alınan ürünler genellikle çevrimdışı (genellikle “iğne tipi” olarak bilinir) ve çevrimiçi algılama (çevrimiçi) olarak sınıflandırılır. Katalitik ürünün doğasına bağlı olarak, algılama ekipmanında genellikle gaz kromatografisi, kütle spektrometrisi ve sıvı kromatografisi bulunur. Prof. Ye jinhua, Ozin, Zou zhigang, Yang peidong, Li can, Xie yi, Wu lizhu ve Wang xinchen gibi profesörler yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bu makale, son çalışmalarda kullanılan en yaygın cihaz olan gaz kromatografisine odaklanmaktadır. Çekirdek bileşenler tipik olarak dedektörler, kolonlar, metan dönüştürücüler, altı yollu vanalar ve döngüleri içerir. Dedektör genellikle iki tip (hidrojen alev dedektörü) FID ve (termal havuz dedektörü) TCD kullanır. FID, karbon içeren organik maddeleri yüksek hassasiyetle tespit edebilirken, TCD hidrojen, karbon monoksit, karbon dioksit vb. dahil tüm bileşikleri bir hassasiyet açısıyla (~1000 ppm) tespit edebilir. Bu nedenle, çoğu araştırmacı FID dedektörünü kurmayı seçer ve reaksiyon sürecindeki artık CO2 veya CO, nikel katalizörlü bir dönüştürme fırını tarafından tespit edilebilir. Daha da önemlisi, ürün buharlaştıktan sonra taşıyıcı gaz akışında kullanılan kolonların da farklı olması algılama hassasiyetini etkiler. Örneğin, FID detektörü genellikle bir kılcal kolon kullanır ve TCD detektörü bir TDX01 kolonu kullanır. Aşağıda gösterilen kromatogram tasarımında gösterildiği gibi, yurtiçi ve yurtdışındaki birçok üretici Agilent, Tianmei, Yanuo, Fuli ve benzeri gibi özelleştirilmiş ürünler sağlayabilir. Tabii ki, CO2 indirgeme ürünleri çok karmaşık olduğundan, H2 ve CO gibi küçük moleküllerin yanı sıra C1, CH3OH, formik asit ve C1 ve C2 gibi etanol gibi organik moleküller de vardır. Tek kolonlu dedektör bir kerede tamamen tespit edilemez ve TCD ve TCD gereklidir. FID birleştirilir ve farklı sütun türleri birlikte kullanılır.

CO2'nin hidrokarbonlara katalitik indirgenmesi, enerji ve çevre sorunlarını azaltmanın yeşil bir yolu haline geldi. Uzun yıllara dayanan araştırmalara dayanarak, Xiaobian, katalitik reaksiyon sistemleri ve ürün değerlendirmesi hakkında önemli bilgileri derledi ve aynı alandaki araştırmacılara yüksek verimli katalizörlerin tasarımı için iyi bir platform sağlama konusunda yardımcı olmayı umuyor.