W ostatnich latach coroczny wzrost globalnej emisji CO2 stanowi powa?ne zagro?enie dla ?rodowiska ekologicznego, w którym ?yj? ludzie. (W 2018 r. by?o 410 ppm – dane ze stacji monitorowania gazów cieplarnianych nale??cej do National Oceanic and Atmospheric Islands Hawaiian Islands Mauna Loa Volcano). Dlatego te? wychwytywanie, przechowywanie i konwersja CO2 cieszy si? du?ym zainteresowaniem naukowców. Toyota Central Research wykorzysta?a wod? i dwutlenek w?gla jako surowce do syntezy u?ytecznych substancji przy u?yciu ?wiat?a s?onecznego, a wydajno?? konwersji energii wzros?a do najwy?szego poziomu 4,6% na ?wiecie. BASF w Niemczech przetwarza dwutlenek w?gla w w?glanowy materia? polimerowy o szerokim zakresie zastosowań. Bayer mo?e wykorzystywa? dwutlenek w?gla w spalinach z elektrociep?owni jako g?ówny surowiec do produkcji materia?ów poliuretanowych. Istnieje stabilny rynek katalizatorów do produkcji w?glanów, ale wykorzystanie CO2 jest nadal niewystarczaj?ce. Konwersja paliw w?glowodorowych znajduje si? nadal w podstawowym etapie badań aplikacyjnych. Chiński 13-letni plan pi?cioletni i wspólne o?wiadczenie chińsko-amerykańskie w sprawie zmian klimatycznych uczyni?y ?redukcj? w?gla” celem budowlanym, zach?caj?c do konwersji paliw opartych na CO2. I w??czy? go do ?13. pi?cioletniego” specjalnego krajowego planu badań podstawowych (Guo Ke Fa Ji [2017] nr 162). Wykorzystanie energii s?onecznej do przekszta?cania taniego i obfitego CO2 i wody w paliwo w?glowodorowe z wygodnym przechowywaniem, dojrza?? technologi?, szerokimi obszarami zastosowań i ogromnym zapotrzebowaniem to zielona technologia s?onecznej konwersji chemicznej.

W tym kontek?cie, pomimo wielu prac badawczych w dziedzinie redukcji CO2 w kraju i za granic?, wiele prac zrealizowa?o konwersj? CO2 z perspektywy projektowania materia?ów, takich jak pó?przewodnikowe katalizatory do katalitycznej produkcji wodoru lub degradacja materii organicznej. Selektywno?? reakcji katalitycznej lub produktu jest regulowana (Adv. Mater. 2018, 30, 1704663). Realizacja reakcji katalitycznej i kontrola procesu nie s? jednak wystarczaj?co dojrza?e. Systemy reakcji stosowane przez wi?kszo?? badaczy s? niestandardowymi ?pó? niestandardowymi” urz?dzeniami i systemami analitycznymi. Dlatego autor uwa?a, ?e projekt materia?u jest wa?ny, a wa?niejszy jest odpowiedni system reakcji i metoda oceny. Uk?ad reakcyjny odnosi si? do warunków ?rodowiskowych wymaganych dla reakcji redukcji CO2, takich jak ?wiat?o, elektryczno??, roztwór, temperatura, ci?nienie itp .; metoda wykrywania odnosi si? do stanu produktu (takiego jak gaz lub ciecz, selektywno??, st??enie) oraz wydajno?ci konwersji w?gla, wydajno?ci fotonu Czekaj.

Spo?ród kilku mo?liwych strategii redukcji katalitycznego CO2, takich jak fotokataliza, fotoelektrokataliza, kataliza fototermiczna i kataliza termiczna, ka?da ma swoje zalety. Szczególnie atrakcyjne s? techniki fotochemicznej redukcji CO2 i przekszta?cania go w paliwa w?glowodorowe korzystne dla ludzi. Poniewa? mo?na to przeprowadzi? w normalnej temperaturze i ci?nieniu, efekty synergiczne mog? równie? wyst?pi? w okre?lonych temperaturach i ci?nieniach. Wymagana energia mo?e by? dostarczona bezpo?rednio lub po?rednio przez energi? odnawialn?, tak? jak energia s?oneczna, a w?giel mo?na podda? recyklingowi.

Rycina 1 Reaktor katalityczny w postaci wsadu i przep?ywu (Chem. Asian J. 2016, 11, 425 - 436)

Istniej? dwa sposoby budowy reaktora (jak pokazano na ryc. 2). Jednym z nich jest reaktor o sta?ej obj?to?ci, w którym surowiec reakcyjny, taki jak CO2, H2 lub H2O, katalizator lub kokatalizator jest umieszczony w reaktorze, a reakcj? przeprowadza si? przez wstrzykni?cie do katalizatora ?wiat?a, energii elektrycznej, ciep?a itp. . Drugi to Metoda Przep?ywowa, która jest procesem, w którym gaz zasilaj?cy jest wprowadzany do reaktora z okre?lon? pr?dko?ci? i po pewnym okresie reakcji wyp?ywa z reaktora. Badanie wykaza?o, ?e materia? reaktora jest ogólnie podzielony na politetrafluoroetylen, szk?o kwarcowe, stal nierdzewna. PTFE ma zalety wysokiej wytrzyma?o?ci, odporno?ci na korozj? i dobrego uszczelnienia, ale ma nisk? granic? temperatury, zwykle 250 stopni. Reaktor kwarcowy ma zalety odporno?ci na temperatur? i odporno?? na korozj?, ale jest kruchy i ma nisk? wytrzyma?o?? na ?ciskanie. Reaktor metalowy ze stali nierdzewnej ma zalety odporno?ci na ci?nienie i ?atwej obróbki, ale ?atwo reaguje z reagentami. Mo?esz wybra? odpowiedni reaktor do swoich potrzeb. Jednocze?nie, aby na czas wprowadzi? lub usun?? gaz lub produkt, nale?y otworzy? kilka otworów w konstrukcji reaktora, aby u?atwi? wstrzykiwanie surowców.

Ponadto, bardziej powszechnymi formami reakcji s? reakcje cia?o sta?e-ciecz: w reaktorze jako surowiec stosuje si? nasycony roztwór gazu CO2 lub elektrolit wstrzykuje si? do elektrokatalitycznego reaktora redukcyjnego (ryc. 2). Wewn?trzny mechanizm reakcji elektroredukcji dwutlenku w?gla obejmuje z?o?on? ?cie?k? granic faz trójfazowych cia?o sta?e-ciecz. Dlatego racjonalna konstrukcja geometrii katalizatora pozwala na umieszczenie jak najwi?kszej liczby miejsc reaktywnych w celu promowania transferu protonów i elektronów na interfejsie.

Rysunek 2 Schemat ideowy reakcji cia?o sta?e-gaz i cia?o sta?e-ciecz (Chem. Commun., 2016, 52, 35–59)

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

Obróbka katalizatora w reaktorze jest ró?na w zale?no?ci od morfologii materia?u. Na przyk?ad materia? proszkowy mo?na po?o?y? na powierzchni szk?a kwarcowego; materia? folii mo?na umie?ci? w reaktorze przez z?o?enie, wykrawanie itp .; materia? sypki (porowata ceramika) mo?e zwi?kszy? szybko?? kontaktu mi?dzy gazem a katalizatorem przez przep?yw gazu, aby uzyska? przywrócenie CO2.

Wybór ?ród?a ?wiat?a: Wybór ?ród?a reakcji katalitycznej jest równie? bardzo wa?ny. Warto, aby naukowcy zwrócili uwag? na problem rzeczywistej g?sto?ci mocy optycznej. Dlatego zakupione ?ród?o ?wiat?a, takie jak lampa ksenonowa, ma na ogó? moc fabryczn? wi?ksz? ni? kilka nat??eń ?wiat?a s?onecznego (jedno s?ońce odpowiada 1 kW / m2). Dlatego mo?e by? regulowany przez filtr grzewczy. Przed zaprojektowaniem reakcji nale?y u?y? miernika mocy optycznej do przetestowania rzeczywistej warto?ci. Intensywno?? zastosowanego ?ród?a ?wiat?a.

Ocena produktu: Ocena produktu katalitycznego jest ostatni? i najwa?niejsz? cz??ci? ca?ego systemu. Pobrane produkty s? generalnie klasyfikowane jako offline (powszechnie znane jako ?typ ig?y”) i wykrywanie online (online). W zale?no?ci od charakteru produktu katalitycznego, sprz?t do wykrywania na ogó? ma chromatografi? gazow?, spektrometri? masow? i chromatografi? cieczow?. Profesorowie tacy jak prof. Ye jinhua, Ozin, Zou zhigang, Yang peidong, Li can, Xie yi, Wu lizhu i Wang xinchen s? szeroko wykorzystywani.

Ten artyku? koncentruje si? na chromatografii gazowej, najcz??ciej stosowanym urz?dzeniu stosowanym w ostatnich badaniach. Podstawowe elementy zwykle obejmuj? detektory, kolumny, reformery metanu, zawory sze?ciodrogowe i p?tle. Detektor zasadniczo wykorzystuje dwa typy (detektor wodoru) FID i (detektor basenu termicznego) TCD. FID mo?e wykrywa? materi? organiczn? zawieraj?c? w?giel z wysok? czu?o?ci?, podczas gdy TCD mo?e wykrywa? wszystkie zwi?zki, w tym wodór, tlenek w?gla, dwutlenek w?gla itp., Ale z k?tem czu?o?ci (~ 1000 ppm). Dlatego wi?kszo?? badaczy decyduje si? na zainstalowanie detektora FID, a resztkowy CO2 lub CO w procesie reakcji mo?na wykry? w piecu konwersyjnym z katalizatorem niklowym. Co wa?niejsze, po odparowaniu produktu kolumny stosowane w przep?ywie gazu no?nego s? równie? ró?ne, co wp?ywa na czu?o?? wykrywania. Na przyk?ad detektor FID zazwyczaj wykorzystuje kolumn? kapilarn?, a detektor TCD wykorzystuje kolumn? TDX01. Jak pokazano na poni?szym schemacie chromatogramu, wielu producentów w kraju i za granic? mo?e dostarcza? niestandardowe produkty, takie jak Agilent, Tianmei, Yanuo, Fuli i tak dalej. Oczywi?cie, poniewa? produkty redukcji CO2 s? bardzo skomplikowane, istniej? ma?e cz?steczki, takie jak H2 i CO, a tak?e cz?steczki organiczne, takie jak C1, CH3OH, kwas mrówkowy i etanol, takie jak C1 i C2. Detektora jednokolumnowego nie mo?na ca?kowicie wykry? jednocze?nie, a TCD i TCD s? wymagane. FID jest ??czony, a ró?ne typy kolumn s? u?ywane razem.

Katalityczna redukcja CO2 do w?glowodorów sta?a si? zielonym ?rodkiem ?agodzenia problemów energetycznych i ?rodowiskowych. Na podstawie wieloletnich badań Xiaobian zgromadzi? wa?n? wiedz? na temat systemów reakcji katalitycznych i oceny produktu, i ma nadziej? pomóc naukowcom z tej samej dziedziny w zapewnieniu dobrej platformy do projektowania katalizatorów o wysokiej wydajno?ci.