Nos últimos anos, o aumento anual das emiss?es globais de CO2 tem sido uma séria amea?a ao ambiente ecológico em que as pessoas vivem. (Houve 410 ppm em 2018 – dados da esta??o de monitoramento de gases de efeito estufa do Vulc?o Mauna Loa, nas Ilhas Havaianas da Administra??o Nacional Oceanica e Atmosférica). Portanto, a captura, armazenamento e convers?o de CO2 tem recebido grande aten??o dos pesquisadores. A Toyota Central Research usou água e dióxido de carbono como matérias-primas para sintetizar substancias úteis usando a luz solar, e a eficiência de convers?o 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 aplica??es. A Bayer pode usar dióxido de carbono em gases de combust?o de usinas termelétricas como principal matéria-prima para a produ??o de materiais de poliuretano. Existe um mercado de catalisadores estável para a produ??o de carbonatos, mas a utiliza??o de CO2 ainda está longe de ser suficiente. A convers?o de combustíveis de hidrocarbonetos ainda está em fase de pesquisa básica de aplica??o. O 13o Plano Quinquenal da China e a Declara??o Conjunta Sino-Americana sobre Mudan?as Climáticas fizeram da “redu??o de carbono” uma meta de constru??o, incentivando a convers?o 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 aplica??o e enorme demanda é uma tecnologia de convers?o química solar verde.

Nesse contexto, embora tenha havido muito trabalho de pesquisa no campo da redu??o de CO2 no país e no exterior, muitos trabalhos perceberam a convers?o de CO2 na perspectiva do design de materiais, como catalisadores semicondutores para produ??o catalítica de hidrogênio ou degrada??o da matéria organica. A seletividade da rea??o ou produto catalítico é regulada (Adv. Mater. 2018, 30, 1704663). No entanto, a realiza??o da rea??o catalítica e o controle do processo n?o est?o maduros o suficiente. Os sistemas de rea??o usados pela maioria dos pesquisadores s?o equipamentos e sistemas de análise “semi-customizados” n?o padronizados. Portanto, o autor acredita que o design do material é importante, e o sistema de rea??o apropriado e o método de avalia??o s?o mais importantes. O sistema de rea??o refere-se às condi??es ambientais necessárias para a rea??o de redu??o de CO2, como luz, eletricidade, solu??o, temperatura, press?o, etc.; o método de detec??o refere-se ao estado do produto (como gás ou líquido, seletividade, concentra??o) e eficiência de convers?o de carbono, eficiência de fótons Aguarde.

Entre várias estratégias de redu??o 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 s?o benéficos para os seres humanos s?o particularmente atraentes. Como pode ser realizado em temperatura e press?o normais, os efeitos sinérgicos também podem ocorrer em temperaturas e press?es específicas. A energia necessária pode ser fornecida direta ou indiretamente por energia renovável, como a energia solar, e o carbono pode ser reciclado.

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 rea??o, como CO2, H2 ou H2O, um catalisador ou um cocatalisador é colocado em um reator, e uma rea??o 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 alimenta??o é introduzido no reator a uma determinada taxa e, após um certo período de rea??o, flui para fora do reator. O estudo descobriu que o material do reator é geralmente dividido em politetrafluoretileno, vidro de quartzo, a?o inoxidável. PTFE tem as vantagens de alta resistência, resistência à corros?o e boa veda??o, mas tem um limite de baixa temperatura, geralmente 250 graus. O reator de quartzo tem as vantagens de resistência à temperatura e resistência à corros?o, mas é frágil e tem baixa resistência à compress?o. O reator de a?o inoxidável metálico tem as vantagens de resistência à press?o 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 inje??o de matérias-primas.

Além disso, as formas de rea??o mais comuns s?o rea??es sólido-líquido: no reator, uma solu??o saturada de gás CO2 é usada como matéria-prima, ou um eletrólito é injetado em um reator de redu??o eletrocatalítica (Fig. 2). O mecanismo de rea??o intrínseco da eletrorredu??o 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.

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

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

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 (ceramica porosa) pode aumentar a taxa de contato entre o gás e o catalisador pelo fluxo de gás para realizar a restaura??o de CO2.

Sele??o da fonte de luz: A escolha da fonte de rea??o catalítica também é muito importante. Vale a pena que os pesquisadores prestem aten??o ao problema da densidade de potência óptica efetiva. Portanto, a fonte de luz adquirida, como a lampada de xen?nio, 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 rea??o, o medidor de potência óptica deve ser usado para testar o valor real. A intensidade da fonte de luz utilizada.

Avalia??o do produto: A avalia??o do produto catalítico é a última e mais importante parte do sistema geral. Os produtos retirados s?o geralmente classificados em offline (vulgarmente conhecido como “tipo agulha”) e detec??o online (online). Dependendo da natureza do produto catalítico, o equipamento de detec??o 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 s?o 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 organica 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 angulo de sensibilidade (~1000 ppm). Portanto, a maioria dos pesquisadores opta por instalar o detector FID, e o CO2 ou CO residual no processo de rea??o pode ser detectado por um forno de convers?o com catalisador de níquel. Mais importante, depois que o produto é vaporizado, as colunas usadas no fluxo de gás de arraste também s?o diferentes, o que afeta a sensibilidade de detec??o. 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 redu??o de CO2 s?o muito complicados, existem pequenas moléculas como H2 e CO, bem como moléculas organicas como C1, CH3OH, ácido fórmico e etanol, como C1 e C2. O detector de coluna única n?o pode ser detectado completamente de uma só vez, e o TCD e o TCD s?o necessários. O FID é combinado e os diferentes tipos de colunas s?o usados juntos.

A redu??o 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 rea??o catalítica e avalia??o de produtos, e espera ajudar pesquisadores no mesmo campo a fornecer uma boa plataforma para o projeto de catalisadores de alta eficiência.