陳 嘯, 劉麗恬, 魯嘯宇, 何嘉倫, 李云龍, 于 超?

(1.江蘇科技大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212100; 2.中化石化銷售有限公司, 上海 200120)

0 引言

近年來,工業(yè)發(fā)展導(dǎo)致二氧化碳(CO2)排放量激增,加劇全球變暖導(dǎo)致氣候異常,并伴隨著頻繁的海洋風(fēng)暴,荒漠化加劇等惡劣影響[1]。 減少CO2排放量并合理利用CO2已成為解決環(huán)境問題的當(dāng)務(wù)之急,其中將CO2轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品被認(rèn)為是有前景的解決方案之一。 文獻(xiàn)[2] 通過光激發(fā)GaP 電極將水溶液中的CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH,開創(chuàng)了光催化CO2還原的新方向。 光催化技術(shù)利用免費且豐富的太陽能實現(xiàn)CO2轉(zhuǎn)化,以環(huán)保和節(jié)能的優(yōu)勢引起了研究者們的密切關(guān)注。 然而,目前CO2光催化還原的產(chǎn)業(yè)化遭遇到轉(zhuǎn)化率低,選擇性差和低于標(biāo)準(zhǔn)的能源效率的發(fā)展瓶頸[3]。

光催化CO2還原過程大致可分為均相和多相法。在非均相工藝中,CO2直接與催化劑界面,與均相工藝相比具有明顯的優(yōu)勢。 然而,盡管具有理論優(yōu)勢,但迄今為止氣固相光催化CO2還原的性能仍不足以滿足工業(yè)需求。 因此,研究人員開始轉(zhuǎn)向設(shè)計高效率的光催化反應(yīng)器,以實現(xiàn)光催化CO2還原的性能突破[4]。 氣固光催化反應(yīng)器是光催化工藝的核心設(shè)備,設(shè)計和應(yīng)用在實現(xiàn)有效的CO2還原方面起著至關(guān)重要的作用。 優(yōu)異的反應(yīng)器設(shè)計不僅可以提高太陽能的利用率,還可以加快反應(yīng)速度。 本文首先闡明了光催化CO2還原的機理和反應(yīng)器的性能評價標(biāo)準(zhǔn)。 然后介紹不同類型的氣固相光催化反應(yīng)器,如圖1 所示,包括“地毯”式平鋪反應(yīng)器、“煎餅”型薄膜反應(yīng)器、“牙簽”型光纖反應(yīng)器、“蜂窩”反應(yīng)器和“三明治”型板式微反應(yīng)器。 在最后一部分中,將討論氣固相光催化CO2還原反應(yīng)器的未來發(fā)展和挑戰(zhàn),并提出前瞻性觀點。

圖1 氣固光催化反應(yīng)器的分類

1 光催化CO2 還原的基本原理

CO2的C=O 具有750 kJ/ mol 的強鍵能,表現(xiàn)出分子惰性。 在陽光下穩(wěn)定,這使得直接激活CO2成為一項挑戰(zhàn)[5]。 CO2活化對于氧化還原反應(yīng)至關(guān)重要,因此需要引入具有適當(dāng)能帶結(jié)構(gòu)的催化劑進(jìn)行CO2光催化還原[6]。 當(dāng)光催化劑暴露在光下時,電子將被激發(fā)從價帶跳到導(dǎo)帶,導(dǎo)致在價帶中產(chǎn)生等數(shù)量的空穴。 在氣固反應(yīng)中,吸附在催化劑表面的CO2與光生電子結(jié)合生成C1和C2產(chǎn)物。 表面的空腔與吸附的水蒸氣反應(yīng),通過氧化反應(yīng)產(chǎn)生O2或羥基自由基。

CO2光催化還原的機理可分為5 個步驟。 (1)光激發(fā):根據(jù)催化劑的能帶結(jié)構(gòu)選擇適當(dāng)波長的光源,催化性能會受到波長和功率的影響。 (2)光生電子空穴的分離和轉(zhuǎn)移:當(dāng)入射光的能量超過光催化劑的帶隙時,電子將從價帶跳到導(dǎo)帶,產(chǎn)生電子空穴。 然后將電子空穴轉(zhuǎn)移到催化劑表面以參與氧化還原反應(yīng)。 (3)CO2吸附:CO2的吸附過程是CO2還原的前提,CO2通過C 或O 配位吸附在催化劑表面[7]。 光催化劑的結(jié)構(gòu)改性可以調(diào)節(jié)催化劑與CO2的配位模式,提高產(chǎn)物的選擇性。 合理的反應(yīng)器設(shè)計可以進(jìn)一步擴大催化劑與CO2的接觸面積,從而提高CO2的吸附性能[8]。 (4)表面CO2還原反應(yīng):電子通過跳躍分離并輸送到催化劑表面,與吸附的CO2和H+反應(yīng)。碳產(chǎn)物的合成將根據(jù)所用催化劑的類型而有所不同。(5)產(chǎn)物解吸:如果產(chǎn)物解吸不及時,會發(fā)生催化劑中毒,影響催化劑的活性和選擇性。 最終的CO2還原效率受到上述所有5 個過程的影響[9]。

2 氣固光反應(yīng)器的發(fā)展進(jìn)程

2.1 光反應(yīng)器性能評價

迄今為止,對于光反應(yīng)器性能評價指標(biāo)已經(jīng)提出了包括催化性能、傳質(zhì)效率、通量、能效和設(shè)計成本等多個參數(shù)[10]。 這些指標(biāo)構(gòu)成了設(shè)計卓越性能反應(yīng)器的理論基礎(chǔ)。 在CO2光催化還原過程中,光反應(yīng)器起著重要作用,反應(yīng)器的設(shè)計對傳質(zhì)速率、光分布和反應(yīng)面積有重大影響[11]。 在固液模式下,通常向反應(yīng)器中加入液態(tài)水和催化劑,然后通過鼓泡將CO2注入反應(yīng)器中,以進(jìn)行CO2還原。 但這種方法會加劇析氫反應(yīng)的發(fā)生,從而影響CO2的還原性能。 在氣固模式下,CO2和水蒸氣在進(jìn)入反應(yīng)器之前混合,或者在板上放置催化劑并在底部加入少量水[12-13]。 水蒸氣和CO2參與CO2還原反應(yīng)。 氣固反應(yīng)器的使用提供了更快的傳質(zhì)速率,增強了產(chǎn)物分離,并適當(dāng)抑制了競爭反應(yīng),所有這些都提高了CO2還原性能。

2.2 氣固光反應(yīng)器的進(jìn)展

文獻(xiàn)[14] 使用由圓柱形石英管組成的“地毯”反應(yīng)器,在室溫下用CO2飽和水蒸氣進(jìn)行光催化實驗,“地毯”反應(yīng)器中的反應(yīng)可以具有更高的接觸面積和吸附能力。 文獻(xiàn)[15] 于1977 年首次提出使用光纖進(jìn)行光傳輸并作為光催化劑載體。 這種“牙簽”反應(yīng)器對輕傳質(zhì)的抵抗力很小,更有利于光催化反應(yīng)的發(fā)生。 文獻(xiàn)[16] 2008 年首次報道了使用“牙簽”反應(yīng)器在氣相中將CO2光還原為碳?xì)浠衔铩?光纖可以使光均勻分布在催化劑表面,大大提高光子透射率,這是光反應(yīng)器產(chǎn)業(yè)化向前邁出的一步。 與“牙簽”反應(yīng)器相比,“蜂窩”反應(yīng)堆具有更大的比表面積和量子效率,并且壓力降低,因此可以更有效地利用光能。文獻(xiàn)[17] 2011 年設(shè)計了一種內(nèi)部照明的“蜂窩”反應(yīng)器,嵌入了用于光催化還原CO2的光纖。 對纖維進(jìn)行雕刻以增強光反射,進(jìn)一步提高了“蜂窩”反應(yīng)器中光的利用率,多通道結(jié)構(gòu)大大提高了催化劑負(fù)載和CO2還原效率。 一些研究人員在反應(yīng)器中將催化劑制備成薄膜,在此稱為“煎餅”反應(yīng)器。 例如,文獻(xiàn)[18] 2012 年在反應(yīng)器底部放置了一層雙金屬合金催化劑膜,膜周圍有微量的水。 在室溫下使用來自反應(yīng)器頂部的模擬太陽光照射進(jìn)行CO2光催化還原。 考察了不同含量Cu-Pt 雙金屬的催化性能,結(jié)果表明Cu0.33-Pt0.67是CO2光催化還原中活性最高的Cu-Pt/TiO2系列催化劑。

3 氣固光反應(yīng)器的種類

3.1 “地毯”反應(yīng)器

在該類反應(yīng)器中,催化劑要么放在支撐材料板上,要么直接放置在底部。 被稱為“地毯”反應(yīng)器,因為其可以像地毯一樣任意改變瓷磚的表面積和厚度?！暗靥骸狈磻?yīng)器操作方便,催化劑面積易于控制,受到研究人員的青睞。 例如,文獻(xiàn)[19] 采用浸漬法制備了In-TiO2/g-C3N4系列催化劑,并在密閉氣固反應(yīng)器中進(jìn)行光催化反應(yīng)。 結(jié)果表明:紫外光下CO2還原的主要產(chǎn)物為CO、CH4和C2H4; 在可見光下,主要產(chǎn)生CO 和CH4。 文獻(xiàn)[20] 使用“地毯”反應(yīng)器,其實驗裝置如圖2 所示。 CO2通過充滿水的飽和器流入“地毯”反應(yīng)器。 以400 W Hg 燈為光源,輻照功率密度保持在140 W/ m2,選擇水作為犧牲劑,環(huán)保、無毒、價格低廉。 “地毯”反應(yīng)器提供了一種無毒且高性能的CO2光還原方法。

圖2 CO2 光還原實驗裝置[20]

對于CO2光催化還原反應(yīng),催化劑的類型對產(chǎn)物的選擇性有一定的影響。 在固液模式下,反應(yīng)更傾向于還原水產(chǎn)生H2,而“地毯”反應(yīng)器中的氣固反應(yīng)更有利于CO2還原。 文獻(xiàn)[21] 研究了不同反應(yīng)模式對CO2光催化還原性能和選擇性的影響。 根據(jù)CO2還原反應(yīng)的特點,改進(jìn)了反應(yīng)方式。 在聯(lián)合反應(yīng)模式下,CO 和CH4的產(chǎn)率均優(yōu)于氣固模式。 這種新的反應(yīng)方式不僅使光催化劑與CO2充分接觸,避免了催化劑與液態(tài)水的直接接觸,提高了CO2的吸附性,抑制了水的吸附,而且為CO2還原提供了強大的還原劑,增強了光催化還原性能。

3.2 “煎餅”反應(yīng)器

薄膜反應(yīng)器是在板狀材料上制成薄膜負(fù)載的催化劑,例如不銹鋼板、玻璃板或石英板, 裝載方式類似于煎餅在盤子上的排列方式,因此得名“煎餅”反應(yīng)器。 在“煎餅”反應(yīng)器中,催化劑裝填方便且氣體與固體之間的傳質(zhì)擴散較高,但存在接觸面積有限的問題。 文獻(xiàn)[22] 使用了兩種不同的“煎餅”反應(yīng)器,如圖3 所示。 當(dāng)使用小輻照度(40~60 W/ m2)時,反應(yīng)時間和溫度會影響甲烷的產(chǎn)生。 當(dāng)使用大輻照度(60~2 400 W/ m2)時,發(fā)現(xiàn)只有輻照度對甲烷產(chǎn)量有影響,低輻照度更有利于增加甲烷產(chǎn)量。 通過反應(yīng)器設(shè)計和實驗條件的改進(jìn),會影響CO2光催化還原的轉(zhuǎn)化率和選擇性,從而找到最合適的反應(yīng)器和反應(yīng)條件。 文獻(xiàn)[23] 在“煎餅”反應(yīng)器中進(jìn)行連續(xù)CO2還原。 制備的TiO2-NafionTM 基膜催化劑用于CO2轉(zhuǎn)化為甲醇,在2 bar 的進(jìn)料壓力下反應(yīng)獲得了45 μmol/g·h 的較高甲醇收率。充分利用了“煎餅”反應(yīng)器:有效地減少了催化劑的積聚,允許與光源完全接觸,并避免與水直接接觸,從而抑制析氫反應(yīng)。

圖3 “煎餅”反應(yīng)器[22]

文獻(xiàn)[24] 將溴引入COF 中,并選擇TAPP 和2,5-二溴-1,4-苯二甲醛通過溶劑熱法合成卟啉基COF(TAPBB-COF)。 溴的共軛效應(yīng)會促進(jìn)電子離域,提高光催化性能。 結(jié)果表明,溴官能團的引入可以改變價帶位置,12 h CO 收率達(dá)到295.2 μmol/ g,穩(wěn)定性好,選擇性達(dá)95.6 %。 本研究首次利用溴元素促進(jìn)水作為離子供體在不添加額外物質(zhì)的情況下提高CO2還原性能,為催化劑的改性提供了新的思路?！凹屣灐狈磻?yīng)器因其簡單的設(shè)計而受到青睞,主要用于氣固相催化反應(yīng)。 在氣固相中具有優(yōu)異的擴散和傳質(zhì)能力,操作方便,但反應(yīng)物與催化劑之間的接觸面積有限。 CO2從煎餅反應(yīng)器的一端流入,與負(fù)載在反應(yīng)器底部或板上的薄膜催化劑接觸反應(yīng),并在另一端流出反應(yīng)器。 通過及時將產(chǎn)物從反應(yīng)器中吹出,可以加快CO2還原的反應(yīng)速率和效率。

3.3 “牙簽”反應(yīng)器

報道的用于氣固相CO2光催化還原反應(yīng)的反應(yīng)器大多是“地毯”反應(yīng)器和“煎餅”反應(yīng)器,因為兩者操作簡單方便。 然而,實際應(yīng)用受到光利用效率低和傳質(zhì)效率差的限制。 1977 年,文獻(xiàn)[25] 首次提出使用光纖作為催化劑載體來提高光的利用率。 光纖反應(yīng)器是一種專門設(shè)計用于光催化反應(yīng)的反應(yīng)器。 這種反應(yīng)器以光纖為載體,具有反應(yīng)表面積大、透光效率高、傳質(zhì)損失小等優(yōu)點。 但是,光纖容易斷裂,熱量積聚導(dǎo)致催化劑失活,光纖的長度和催化劑的厚度對透光性有影響。 因此,光纖反應(yīng)器在工業(yè)上的應(yīng)用受到限制。 光纖反應(yīng)器由數(shù)百根細(xì)長光纖組成,從外觀上看,就像許多放在盒子里的牙簽,所以將其命名為“牙簽”反應(yīng)器。

文獻(xiàn)[25] 從光纖上去除聚合物屏蔽層,得到石英纖維,然后將其浸入Cu/TiO2溶液中,反應(yīng)體系如圖4所示。 處理后得到負(fù)載Cu/TiO2的光纖,將約120 根光纖組裝成“牙簽”反應(yīng)器。 使用汞燈從石英窗照射,以冒泡的方式將CO2與水蒸氣引入。 在這項研究中,將催化劑涂覆在玻璃板上,以比較“煎餅”和“牙簽”反應(yīng)器的催化性能。 實驗結(jié)果表明,在365 nm 紫外光照射下,“牙簽”反應(yīng)器中的甲醇收率高于“煎餅”反應(yīng)器中的甲醇收率,收率為0.46 μmol/g· h。與“煎餅”反應(yīng)器相比,“牙簽”反應(yīng)器具有相當(dāng)高的光利用率,可以有效地傳播光能,在光催化應(yīng)用方面具有廣闊的前景。

圖4 “牙簽”反應(yīng)器[25]

“牙簽”反應(yīng)堆中光能的設(shè)計和傳輸方式與傳統(tǒng)光反應(yīng)堆不同。 文獻(xiàn)[26] 首先報道了在“牙簽”反應(yīng)器中使用Cu-Fe / TiO2來還原甲烷和乙烯,將其與“煎餅”反應(yīng)器進(jìn)行了比較。 光源沿光纖進(jìn)入,在75 ℃時發(fā)生還原反應(yīng),乙烯的收率提高了一個數(shù)量級。 在相同的光源條件下,增加光纖的數(shù)量可以提高量子產(chǎn)率。 通過優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計,可以充分利用光能,提高量子產(chǎn)率,增強光催化性能,提高產(chǎn)品產(chǎn)率。 “牙簽”在反應(yīng)器中通過光纖傳輸可減少光到催化劑的誤差,光催化反應(yīng)的量子產(chǎn)率增加,反應(yīng)器和反應(yīng)氣體對光的吸收和散射減少,催化劑包裹在纖維上,可以獲得更好的催化劑分散和減少傳質(zhì)限制。 “牙簽”反應(yīng)器廣泛用于空氣凈化、去除氣態(tài)有機污染物或減少二氧化碳。 光的入射角、纖維的長度、纖維的數(shù)量和催化劑的厚度都會影響“牙簽”反應(yīng)器的催化性能。 缺點是使用光纖作為催化劑載體,光纖過于脆弱,容易斷裂,熱量積累容易使光催化劑失活,阻礙催化反應(yīng)。同時,“牙簽”反應(yīng)器操作不方便,光纖不易超長,費用相對較高。 因此,該反應(yīng)器在CO2還原方面無法大規(guī)模應(yīng)用,仍有許多問題需要解決。

3.4 “蜂窩”反應(yīng)器

研究人員提出使用蜂窩陶瓷進(jìn)行催化反應(yīng),蜂窩陶瓷是多孔工業(yè)陶瓷,熱膨脹慢、隔熱性好、比表面積大,這種類型的反應(yīng)器稱為“蜂窩”反應(yīng)器。 “蜂窩”反應(yīng)器由于其特殊配置,具有非常低的壓降,可以提供高流速。 蜂窩結(jié)構(gòu)的比表面積是相同尺寸的其他催化劑載體的10~100 倍,大大提高了有效反應(yīng)面積,提高了催化性能。 對于氣固相光催化CO2還原,“蜂窩”反應(yīng)器使CO2與催化劑之間的接觸面積最大化,并將光纖插入其中以克服光穿透的阻礙。 文獻(xiàn)[17] 使用直徑為4 cm 的蜂窩狀陶瓷,由170 個通道組成,并用合成的InTaO4溶質(zhì)涂覆整個陶瓷。 然后用Ni(NO3)2溶液浸漬制備了不同Ni 含量的NiO/InTaO4催化劑。 結(jié)果表明,“蜂窩”反應(yīng)堆的量子效率明顯高于“牙簽”反應(yīng)器,可以有效利用光子能量。將光纖和蜂窩陶瓷組合而成的“蜂窩”反應(yīng)器有效提高了CO2的光催化性能。

文獻(xiàn)[27] 設(shè)計了一種直接太陽能接收器反應(yīng)堆。將兩種不同類型的催化劑整體,管狀石英和氧化鋯泡沫,制造并組裝到“蜂窩”反應(yīng)器中,以比較它們在光催化還原CO2方面的性能。 該反應(yīng)器設(shè)計的基本原理是促進(jìn)同時發(fā)生太陽能光化學(xué)和熱化學(xué)反應(yīng)。 在這項研究中,反應(yīng)堆充當(dāng)光學(xué)腔,通過太陽模擬器收集光源,以增加腔內(nèi)光子吸收概率。 反應(yīng)器包括徑向和切向流入口,切向入口有助于產(chǎn)生感應(yīng)渦流。 在出口處的多個端口進(jìn)行溫度和CO2濃度檢測,實驗設(shè)置如圖5 所示。 比較兩種催化劑整體,雖然管狀石英的催化劑負(fù)載量比泡沫氧化鋯小4 倍,但CO2收率卻高4 倍。 選擇合適的催化整體可以有效提高光利用率,并在最小的催化劑負(fù)載下實現(xiàn)出色的產(chǎn)率。 因此,在反應(yīng)器的設(shè)計中需要找到合適的載體。 未來的研究人員需要對化學(xué)機理和動力學(xué)進(jìn)行更深入的研究,以充分了解并能夠辨別CO2還原過程中光和熱對反應(yīng)的貢獻(xiàn)。

圖5 “蜂窩”反應(yīng)器的實驗流程[27]

“蜂窩”反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)仍值得進(jìn)一步研究和改進(jìn)。 文獻(xiàn)[28] 提出了一個填充透明固體玻璃球反應(yīng)器的模型,在光纖、整體和玻璃球的表面上涂有光催化劑,以提高光利用效率,同時保持反應(yīng)器的中心對稱結(jié)構(gòu)。 本研究為CO2光催化反應(yīng)器的發(fā)展與創(chuàng)新提供了新思路。 文獻(xiàn)[29] 將“蜂窩”反應(yīng)器與拋物面槽式濃縮器相結(jié)合,有效提高了光利用率,擴大了光捕獲面積,增強了CO2的光催化性能。 在本研究中,通過在垂直側(cè)增加通道來改善反應(yīng)器內(nèi)部,以減少壓降并提高傳質(zhì)效率,如圖6 所示。 測試表明,與傳統(tǒng)蜂窩反應(yīng)器相比,反應(yīng)器平均產(chǎn)物濃度提高了3 個數(shù)量級,達(dá)到1.85×10-4mol/m3,具有高亮點效率和高反應(yīng)密度。 該反應(yīng)器設(shè)計將“蜂窩”與拋物面槽式濃縮器相結(jié)合,以恒定的催化劑質(zhì)量有效提高了光利用率,并增加了垂直通道以提高傳質(zhì)效率,從而形成了具有優(yōu)異催化效率的“蜂窩”反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。

圖6 “蜂窩”反應(yīng)器[29]

3.5 “三明治”反應(yīng)器

與液固微反應(yīng)器相比,氣固體系可以更好地控制催化劑與CO2和水蒸氣的接觸時間,最大限度地減少二次反應(yīng)或析氫競爭反應(yīng)。 目前報道的氣固模式光流控微反應(yīng)器大多是平面微反應(yīng)器。 反應(yīng)器中裝有一層薄薄的催化劑,結(jié)構(gòu)與夾層結(jié)構(gòu)相似,因此將其命名為“三明治”反應(yīng)器。 結(jié)合光學(xué)和微流控的優(yōu)點,光流控“三明治”反應(yīng)器比其他反應(yīng)器更有效,具有精細(xì)的控制能力,因此推斷“三明治”反應(yīng)器可以提高光催化CO2還原的效率。 文獻(xiàn)[30] 制備了用于“三明治”反應(yīng)器的Cu 改性1 D TiO2薄膜,如圖7 所示。 反應(yīng)器采用復(fù)制成型法和標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制備而成,蓋板材料由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成,具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和透光性,廣泛應(yīng)用于微反應(yīng)器的制備。 將制備的催化劑薄膜放置在玻璃基板上,并在反應(yīng)器腔內(nèi)組裝到總體積為117 mL 的“三明治”反應(yīng)器中,該反應(yīng)器使用黏合劑進(jìn)行防漏。 在反應(yīng)器的入口和出口處,分別設(shè)計了4 個分支形微通道,使氣體均勻地填充在反應(yīng)器中并與催化劑充分接觸。 采用“三明治”反應(yīng)器研究不同CO2流速對還原性能的影響:當(dāng)CO2流速提高時,產(chǎn)品的產(chǎn)量先增長后下降。在緩慢流速下反應(yīng)速率緩慢,當(dāng)反應(yīng)速率較高時,氣體在反應(yīng)器中的停留時間較短,不利于催化反應(yīng)。

圖7 “三明治”反應(yīng)器的設(shè)計與示意[30]

文獻(xiàn)[31] 結(jié)合TiO2和CuxO 構(gòu)建高性能Z 型異質(zhì)結(jié)光催化劑,并引入碳納米管制備CuxTiO2C 光催化劑,用于測試“三明治”反應(yīng)器中的光催化CO2還原性能。 實驗設(shè)置是一個24×24 mm 的反應(yīng)器,底部有玻璃板,催化劑負(fù)載在玻璃板表面。 對于氣固體系,連續(xù)流反應(yīng)器比間歇反應(yīng)器更合適。 本研究的反應(yīng)器設(shè)計簡單,操作方便,CH4的產(chǎn)率在實驗中僅使用低功率LED 達(dá)到117 μmol/g·h。

“三明治”反應(yīng)器反應(yīng)體積小、比表面積大、反應(yīng)時間快。 因此,在傳熱過程中,傳熱效率將得到提高。與其他反應(yīng)器相比,熱量積聚最小,反應(yīng)過程中傳熱加速,反應(yīng)溫度可精確控制,避免局部過熱。 使用連續(xù)流進(jìn)料可以精確控制反應(yīng)時間,并減少產(chǎn)品的積累和副反應(yīng)的發(fā)生。 微反應(yīng)器有多種類型,可以通過擴大平行管道的數(shù)量來實現(xiàn)平行放大。 具有良好的安全性和可控性,節(jié)省了反應(yīng)時間和經(jīng)濟成本。 然而,微反應(yīng)器的應(yīng)用仍存在一定的問題。 由于通道狹窄,催化劑容易堵塞,反應(yīng)可能不足。 應(yīng)根據(jù)反應(yīng)選擇合適的微反應(yīng)器類型。 與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比,微反應(yīng)器的成本更高,其普及性相對有限。 微反應(yīng)器通過工業(yè)技術(shù)的合理設(shè)計和不斷優(yōu)化,可以在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)語

綜上,本文開創(chuàng)性地對氣固相光催化二氧化碳還原的反應(yīng)器進(jìn)行了分類和命名,并強調(diào)了它們各自的特點。 其中,“地毯”反應(yīng)器由于其結(jié)構(gòu)簡單、操作直觀,被廣泛開發(fā)和應(yīng)用。 然而,它的光利用率不足,光分布有限。 “煎餅”反應(yīng)器通過改變催化劑的負(fù)載方式,將粉末轉(zhuǎn)變?yōu)楸∧ざ皇侵苯悠戒仭?該方法通過減少催化劑的聚集并減小擴散阻力來實現(xiàn)。 使用“牙簽”反應(yīng)器和“蜂窩”反應(yīng)器,可以顯著提高光利用率,并且能夠達(dá)到較高的反應(yīng)速率和傳質(zhì)速率。 在與其他4 種反應(yīng)器進(jìn)行比較時,可以發(fā)現(xiàn)“三明治”反應(yīng)器的體積最小,配置相對簡單,同時具有較高的質(zhì)量和傳熱能力,更適用于未來二氧化碳的減排應(yīng)用。

盡管光催化可以將二氧化碳還原為高附加值產(chǎn)品,并在一定程度上緩解能源與環(huán)境問題,但目前的研究仍處于實驗室階段,難以滿足實際工業(yè)需求。 未來的研究應(yīng)集中在以下幾個方面,以實現(xiàn)真正的應(yīng)用。 (1)優(yōu)化反應(yīng)器配置:可以通過反應(yīng)器設(shè)計優(yōu)化來促進(jìn)傳質(zhì),防止催化劑失活,從而提高工藝性能并節(jié)約工藝成本。 (2)與可再生能源相結(jié)合:目前的研究很少實際使用太陽光作為光催化還原反應(yīng)的光源,大多數(shù)使用模擬太陽光。 通過將氣固相光催化技術(shù)與太陽能結(jié)合,可以減少對環(huán)境的影響,并提升該過程的可持續(xù)性。 (3)工業(yè)放大和商業(yè)化: 對于未來的研究來說,應(yīng)該專注于增加其在工業(yè)應(yīng)用和經(jīng)濟效益方面的潛力。 開發(fā)創(chuàng)新反應(yīng)器設(shè)計,優(yōu)化反應(yīng)條件,并探索新的市場機會都是必要的。 綜上所述。 在未來的研究中,應(yīng)該專注于設(shè)計高效穩(wěn)定的光催化劑、優(yōu)化反應(yīng)器配置,并且將其與太陽能的利用整合,以促進(jìn)其擴大規(guī)模并商業(yè)化。 未來將會有許多類型的新型反應(yīng)器出現(xiàn),這些反應(yīng)器能夠滿足實際的工業(yè)需求,并且對解決環(huán)境問題做出重大貢獻(xiàn)。