В последние годы ежегодное увеличение глобальных выбросов CO2 представляет серьезную угрозу для экологической среды, в которой живут люди. (В 2018 году было 410 частей на миллион - данные станции мониторинга парниковых газов Гавайских островов Национального управления океанических и атмосферных исследований Мауна-Лоа). Поэтому улавливание, хранение и преобразование CO2 привлекли большое внимание исследователей. Toyota Central Research использовала воду и углекислый газ в качестве сырья для синтеза полезных веществ с помощью солнечного света, а эффективность преобразования энергии возросла до самого высокого в мире показателя 4,6%. BASF в Германии преобразует углекислый газ в карбонатный полимерный материал с широким спектром применения. Bayer может использовать двуокись углерода в дымовых газах тепловых электростанций в качестве основного сырья для производства полиуретановых материалов. Существует стабильный рынок катализаторов для производства карбонатов, но утилизация СО2 все еще далека от достаточной. Конверсия углеводородного топлива все еще находится на стадии фундаментальных исследований применения. 13-й пятилетний план Китая и китайско-американское совместное заявление об изменении климата сделали ?сокращение выбросов углерода? целью строительства, поощряя переход на топливо на основе CO2. И включить его в Национальный специальный план фундаментальных исследований ?13-я пятилетка? (Guo Ke Fa Ji [2017] № 162). Использование солнечной энергии для преобразования недорогих и обильных CO2 и воды в углеводородное топливо с удобным хранением, зрелой технологией, широкими областями применения и огромным спросом — это зеленая технология химического преобразования солнечной энергии.

В этом контексте, несмотря на то, что было проведено много исследований в области сокращения выбросов CO2 в стране и за рубежом, много работ было направлено на преобразование CO2 с точки зрения разработки материалов, таких как полупроводниковые катализаторы для каталитического производства водорода или разложение органических веществ. Селективность каталитической реакции или продукта регулируется (Adv. Mater. 2018, 30, 1704663). Однако реализация каталитической реакции и управление технологическим процессом недостаточно проработаны. Используемые большинством исследователей реакционные системы представляют собой нестандартное ?полузаказное? оборудование и аналитические системы. Поэтому автор считает, что дизайн материала важен, а подходящая система реакции и метод оценки важнее. Реакционная система относится к условиям окружающей среды, необходимым для реакции восстановления CO2, таким как свет, электричество, раствор, температура, давление и т. д.; метод обнаружения относится к состоянию продукта (например, газ или жидкость, селективность, концентрация) и эффективности преобразования углерода, эффективности фотонов Подождите.

Среди нескольких возможных стратегий каталитического восстановления CO2, таких как фотокатализ, фотоэлектрокатализ, фототермический катализ и термический катализ, каждая имеет свои достоинства. Методы фотохимического восстановления CO2 и преобразования его в полезное для человека углеводородное топливо особенно привлекательны. Поскольку его можно проводить при нормальной температуре и давлении, синергетические эффекты также могут возникать при определенных температурах и давлениях. Требуемая энергия может быть прямо или косвенно обеспечена возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечная энергия, а углерод может быть переработан.

Рисунок 1 Каталитический реактор периодического действия и потока (Chem. Asian J. 2016, 11, 425 – 436)

Есть два способа построить реактор (как показано на рисунке 2). Один из них представляет собой реактор фиксированного объема, в котором сырье для реакции, такое как CO2, H2 или H2O, катализатор или сокатализатор, помещают в реактор, и реакцию проводят путем подачи света, электричества, тепла и т.п. в катализатор. . Второй метод представляет собой проточный метод, при котором исходный газ вводится в реактор с определенной скоростью и после определенного периода реакции вытекает из реактора. Исследование показало, что материал реактора обычно делится на политетрафторэтилен, кварцевое стекло, нержавеющую сталь. ПТФЭ обладает преимуществами высокой прочности, коррозионной стойкости и хорошей герметизации, но имеет низкий температурный предел, обычно 250 градусов. Кварцевый реактор обладает преимуществами термостойкости и коррозионной стойкости, но является хрупким и имеет низкую прочность на сжатие. Реактор из металлической нержавеющей стали обладает такими преимуществами, как устойчивость к давлению и простота обработки, но он легко вступает в реакцию с реагентами. Вы можете выбрать правильный реактор для ваших нужд. В то же время для своевременного ввода или вывода газа или продукта в конструкции реактора необходимо открыть несколько отверстий для облегчения ввода сырья.

Кроме того, более распространенными формами реакции являются твердожидкостные реакции: в реакторе в качестве сырья используется насыщенный раствор газообразного СО2 или в реактор электрокаталитического восстановления вводят электролит (рис. 2). Внутренний механизм реакции электровосстановления диоксида углерода включает сложный путь трехфазных границ твердой и жидкой фаз. Следовательно, рациональная конструкция геометрии катализатора позволяет использовать как можно больше реакционных центров для обеспечения переноса протонов и электронов на границе раздела.

Рисунок 2 Принципиальная схема реакции твердое тело-газ и твердое тело-жидкость (Chem. Commun., 2016, 52, 35–59)

Рисунок 3 Принципиальная схема фотоэлектрокаталитического реактора восстановления CO2 (J. Photon. Energy. 2017, 7(1), 012005)

Обработка катализатора в реакторе отличается в зависимости от морфологии материала. Например, порошковый материал можно укладывать на поверхность кварцевого стекла; пленочный материал можно поместить в реактор путем складывания, перфорации и т. д.; сыпучий материал (пористая керамика) может увеличить скорость контакта между газом и катализатором за счет газового потока для реализации восстановления CO2.

Выбор источника света: выбор источника каталитической реакции также очень важен. Исследователям стоит обратить внимание на проблему эффективной плотности оптической мощности. Поэтому покупаемый источник света, например ксеноновая лампа, как правило, имеет заводскую мощность, превышающую несколько солнечных сил света (одно солнце эквивалентно 1 кВт/м2). Поэтому его можно регулировать нагревательным фильтром. Перед разработкой реакции следует использовать измеритель оптической мощности для проверки фактического значения. Интенсивность используемого источника света.

Оценка продукта: Оценка каталитического продукта является последней и наиболее важной частью всей системы. Изъятые продукты обычно подразделяются на офлайн (широко известные как ?тип иглы?) и онлайн-обнаружение (онлайн). В зависимости от природы каталитического продукта оборудование для обнаружения обычно включает газовую хроматографию, масс-спектрометрию и жидкостную хроматографию. Широко используются такие профессора, как профессор Е Цзиньхуа, Озин, Цзоу Чжиган, Ян Пэйдун, Ли Цань, Се И, У Личжу и Ван Синьчэнь.

Эта статья посвящена газовой хроматографии, наиболее распространенному устройству, используемому в недавних исследованиях. Основные компоненты обычно включают детекторы, колонны, установки для риформинга метана, шестиходовые клапаны и контуры. Детектор обычно использует два типа (детектор водородного пламени) FID и (детектор термального бассейна) TCD. FID может обнаруживать углеродсодержащие органические вещества с высокой чувствительностью, в то время как TCD может обнаруживать все соединения, включая водород, монооксид углерода, диоксид углерода и т. д., но с углом чувствительности (~1000 ppm). Поэтому большинство исследователей предпочитают устанавливать детектор ПИД, а остаточный СО2 или СО в процессе реакции можно обнаружить с помощью конверсионной печи с никелевым катализатором. Что еще более важно, после испарения продукта колонки, используемые в потоке газа-носителя, также различаются, что влияет на чувствительность обнаружения. Например, детектор FID обычно использует капиллярную колонку, а детектор TCD использует колонку TDX01. Как показано на схеме хроматограммы, показанной ниже, многие производители в стране и за рубежом могут предоставлять индивидуальные продукты, такие как Agilent, Tianmei, Yanuo, Fuli и так далее. Конечно, поскольку продукты восстановления CO2 очень сложны, существуют небольшие молекулы, такие как H2 и CO, а также органические молекулы, такие как C1, CH3OH, муравьиная кислота и этанол, такие как C1 и C2. Детектор с одной колонкой не может быть полностью обнаружен за один раз, и требуются TCD и TCD. FID объединяется, и разные типы столбцов используются вместе.

Каталитическое восстановление CO2 до углеводородов стало экологичным средством смягчения энергетических и экологических проблем. Основываясь на многолетних исследованиях, Xiaobian собрал важные знания о системах каталитических реакций и оценке продуктов и надеется помочь исследователям в той же области предоставить хорошую платформу для разработки высокоэффективных катализаторов.