Hệ thống phản ứng xúc tác và đánh giá sản phẩm để cải thiện hiệu quả của quang hợp nhân tạo

Trong những năm gần đây, sự gia tăng lượng khí thải CO2 toàn cầu hàng năm đã và đang là mối đe dọa nghiêm trọng đối với môi trường sinh thái nơi con người sinh sống. (Đã có 410 ppm vào năm 2018 - dữ liệu từ Trạm giám sát khí nhà kính của Quần đảo Hawaii và Mauna Loa của Cục Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia). Do đó, việc thu giữ, lưu trữ và chuyển hóa CO2 đã nhận được sự quan tâm rộng rãi của các nhà nghiên cứu. Toyota Central Research đã sử dụng nước và carbon dioxide làm nguyên liệu để tổng hợp các chất hữu ích bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời, và hiệu suất chuyển đổi năng lượng đã tăng lên mức 4,6% cao nhất trên thế giới. BASF ở Đức chuyển carbon dioxide thành vật liệu polyme cacbonat với một loạt các ứng dụng. Bayer có thể sử dụng carbon dioxide trong khí thải từ các nhà máy nhiệt điện làm nguyên liệu chính để sản xuất vật liệu polyurethane. Có một thị trường chất xúc tác ổn định để sản xuất cacbonat, nhưng việc sử dụng CO2 vẫn chưa đủ. Việc chuyển đổi nhiên liệu hydrocacbon vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu ứng dụng cơ bản. Kế hoạch 5 năm lần thứ 13 của Trung Quốc và Tuyên bố chung Trung-Mỹ về biến đổi khí hậu đã đưa “giảm thiểu carbon” trở thành mục tiêu xây dựng, khuyến khích chuyển đổi nhiên liệu dựa trên CO2. Và đưa nó vào Kế hoạch Đặc biệt Nghiên cứu Cơ bản Quốc gia 5 năm lần thứ 13 (Guo Ke Fa Ji [2017] Số 162). Việc sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển đổi CO2 và nước với chi phí thấp và dồi dào thành nhiên liệu hydrocacbon với khả năng lưu trữ thuận tiện, công nghệ hoàn thiện, lĩnh vực ứng dụng rộng rãi và nhu cầu rất lớn là công nghệ chuyển đổi hóa chất bằng năng lượng mặt trời xanh.

Trong bối cảnh đó, mặc dù đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực khử CO2 trong và ngoài nước, nhưng rất nhiều công trình đã nhận thấy sự chuyển hóa CO2 từ góc độ thiết kế vật liệu, chẳng hạn như xúc tác bán dẫn để sản xuất hydro xúc tác hoặc suy thoái chất hữu cơ. Độ chọn lọc của phản ứng hoặc sản phẩm xúc tác được quy định (Adv. Mater. 2018, 30, 1704663). Tuy nhiên, việc thực hiện phản ứng xúc tác và kiểm soát quá trình vẫn chưa đủ chín muồi. Các hệ thống phản ứng được hầu hết các nhà nghiên cứu sử dụng là thiết bị và hệ thống phân tích “bán tùy chỉnh” phi tiêu chuẩn. Do đó, tác giả tin rằng thiết kế vật liệu là quan trọng, và hệ thống phản ứng thích hợp và phương pháp đánh giá quan trọng hơn. Hệ thống phản ứng đề cập đến các điều kiện môi trường cần thiết cho phản ứng khử CO2, chẳng hạn như ánh sáng, điện, dung dịch, nhiệt độ, áp suất, v.v.; phương pháp phát hiện đề cập đến trạng thái của sản phẩm (chẳng hạn như khí hoặc chất lỏng, độ chọn lọc, nồng độ), và hiệu suất chuyển đổi cacbon, hiệu suất photon Chờ.

Trong số một số chiến lược giảm CO2 xúc tác khả thi, chẳng hạn như xúc tác quang, xúc tác quang điện, xúc tác quang nhiệt và xúc tác nhiệt, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng. Các kỹ thuật quang hóa khử CO2 và chuyển hóa nó thành nhiên liệu hydrocacbon có lợi cho con người là đặc biệt hấp dẫn. Bởi vì nó có thể được thực hiện ở nhiệt độ và áp suất bình thường, tác dụng hiệp đồng cũng có thể xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cụ thể. Năng lượng cần thiết có thể được cung cấp trực tiếp hoặc gián tiếp bởi năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và carbon có thể được tái chế.

Hình 1 Lò phản ứng xúc tác ở dạng Batch và Flow (Chem. Asian J. 2016, 11, 425 - 436)

Có hai cách để xây dựng lò phản ứng (như trong Hình 2). Một là lò phản ứng thể tích cố định, trong đó một nguyên liệu thô phản ứng như CO2, H2 hoặc H2O, chất xúc tác hoặc chất xúc tác được đặt vào lò phản ứng và phản ứng được thực hiện bằng cách đưa ánh sáng, điện, nhiệt hoặc những thứ tương tự vào chất xúc tác. . Phương pháp thứ hai là Phương pháp dòng chảy, là một quá trình trong đó khí cấp được đưa vào lò phản ứng với một tốc độ nhất định và sau một thời gian phản ứng nhất định, sẽ chảy ra khỏi lò phản ứng. Nghiên cứu cho thấy vật liệu của lò phản ứng thường được chia thành polytetrafluoroethylene, thủy tinh thạch anh, thép không gỉ. PTFE có ưu điểm là độ bền cao, chống ăn mòn và niêm phong tốt, nhưng có giới hạn nhiệt độ thấp, nói chung là 250 độ. Lò phản ứng thạch anh có ưu điểm là chịu nhiệt độ và chống ăn mòn, nhưng giòn và có độ bền nén thấp. Lò phản ứng bằng thép không gỉ kim loại có ưu điểm là chịu áp suất và dễ gia công, nhưng dễ phản ứng với các chất phản ứng. Bạn có thể chọn lò phản ứng phù hợp với nhu cầu của mình. Đồng thời, để kịp thời đưa hoặc lấy khí hoặc sản phẩm ra, một vài lỗ trong thiết kế lò phản ứng nên được mở để tạo điều kiện thuận lợi cho việc bơm nguyên liệu.

Ngoài ra, các dạng phản ứng phổ biến hơn là phản ứng rắn-lỏng: trong lò phản ứng, dung dịch bão hòa khí CO2 được sử dụng làm nguyên liệu thô, hoặc chất điện phân được bơm vào lò phản ứng khử xúc tác điện (Hình 2). Cơ chế phản ứng nội tại của quá trình điện phân carbon dioxide liên quan đến một con đường phức tạp của ranh giới ba pha rắn-lỏng. Do đó, thiết kế hợp lý về hình học chất xúc tác cho phép có càng nhiều vị trí phản ứng càng tốt để thúc đẩy sự chuyển giao proton và điện tử tại bề mặt phân cách.

Hình 2 Giản đồ phản ứng rắn-khí và rắn-lỏng (Chem. Commun., 2016, 52, 35–59)

Hình 3 Sơ đồ của lò phản ứng khử CO2 quang điện tử (J. Photon. Energy. 2017, 7 (1), 012005)

Việc xử lý chất xúc tác trong lò phản ứng là khác nhau tùy thuộc vào hình thái của vật liệu. Ví dụ, vật liệu bột có thể được đặt trên bề mặt của thủy tinh thạch anh; vật liệu phim có thể được đặt trong lò phản ứng bằng cách gấp, đục lỗ, v.v.; vật liệu rời (gốm xốp) có thể làm tăng tốc độ tiếp xúc giữa khí và chất xúc tác bằng cách dòng khí đi qua để nhận CO2 Khôi phục.

Lựa chọn nguồn sáng: Việc lựa chọn nguồn xúc tác phản ứng cũng rất quan trọng. Rất đáng để các nhà nghiên cứu lưu tâm đến vấn đề mật độ công suất quang hiệu dụng. Do đó, nguồn sáng được mua, chẳng hạn như đèn xenon, thường có công suất nhà máy lớn hơn một vài cường độ ánh sáng mặt trời (một mặt trời tương đương với 1 kW / m2). Do đó, nó có thể được điều chỉnh bởi một bộ lọc gia nhiệt. Trước khi thiết kế phản ứng, cần sử dụng đồng hồ đo công suất quang để kiểm tra giá trị thực tế. Cường độ của nguồn sáng đã sử dụng.

Đánh giá sản phẩm: Đánh giá sản phẩm xúc tác là phần cuối cùng và quan trọng nhất của toàn bộ hệ thống. Các sản phẩm được lấy thường được phân loại thành ngoại tuyến (thường được gọi là "loại kim") và phát hiện trực tuyến (trực tuyến). Tùy thuộc vào bản chất của sản phẩm xúc tác, thiết bị phát hiện nói chung có sắc ký khí, khối phổ và sắc ký lỏng. Các giáo sư như Giáo sư Ye jinhua, Ozin, Zou zhigang, Yang peidong, Li can, Xie yi, Wu lizhu, và Wang xinchen được sử dụng rộng rãi.

Bài báo này tập trung vào sắc ký khí, thiết bị phổ biến nhất được sử dụng trong các nghiên cứu gần đây. Các thành phần cốt lõi thường bao gồm máy dò, cột, bộ lọc khí mêtan, van sáu chiều và vòng lặp. Máy dò thường sử dụng hai loại (máy dò ngọn lửa hydro) FID và (máy dò vùng nhiệt) TCD. FID có thể phát hiện chất hữu cơ chứa carbon với độ nhạy cao, trong khi TCD có thể phát hiện tất cả các hợp chất, bao gồm hydro, carbon monoxide, carbon dioxide, v.v., nhưng với góc nhạy (~ 1000 ppm). Do đó, hầu hết các nhà nghiên cứu chọn lắp đặt máy dò FID, và CO2 hoặc CO dư trong quá trình phản ứng có thể được phát hiện bằng lò chuyển đổi với chất xúc tác niken. Quan trọng hơn, sau khi sản phẩm được hóa hơi, các cột sử dụng trong dòng khí mang cũng khác nhau, điều này ảnh hưởng đến độ nhạy phát hiện. Ví dụ, máy dò FID thường sử dụng cột mao quản và máy dò TCD sử dụng cột TDX01. Như thể hiện trong thiết kế sắc ký dưới đây, nhiều nhà sản xuất trong và ngoài nước có thể cung cấp các sản phẩm tùy chỉnh, chẳng hạn như Agilent, Tianmei, Yanuo, Fuli, v.v. Tất nhiên, vì các sản phẩm của quá trình khử CO2 rất phức tạp, có các phân tử nhỏ như H2 và CO, cũng như các phân tử hữu cơ như C1, CH3OH, axit fomic và etanol, chẳng hạn như C1 và C2. Máy dò cột đơn không thể được phát hiện hoàn toàn tại một thời điểm, và TCD và TCD là bắt buộc. FID được kết hợp và các loại cột khác nhau được sử dụng cùng nhau.

Xúc tác khử CO2 thành hydrocacbon đã trở thành một phương tiện xanh để giảm thiểu các vấn đề về năng lượng và môi trường. Dựa trên nhiều năm nghiên cứu, Xiaobian đã tổng hợp những kiến thức quan trọng về hệ thống phản ứng xúc tác và đánh giá sản phẩm, đồng thời hy vọng sẽ giúp các nhà nghiên cứu trong cùng lĩnh vực cung cấp nền tảng tốt cho việc thiết kế các chất xúc tác hiệu quả cao.