文档介绍：光催化转化CO2的研究现状
摘要:CO2是引起温室效应的主要气体之一,通过光催化转化将CO2还原为有机物,这一反应是经济、清洁、环境友好的一种有应用前景的方法。新型催化剂的研究制备就显得尤为重要,目前的光催化剂主要有酞菁钴(CoPc)/TiO2、Cu/WO3-TiO2、SiO2/TiO2、Cu/ZnO-TiO2等,每种催化剂都各有其优缺点及适用范围。
关键词:CO2;光催化转化;酞菁钴;TiO2
1前言
近年来,由“温室效应”引起的气候变化已成为一个全球性的环境问题[1]。作为全球变暖的主要贡献者温室气体CO2,其主要产生于石油化工、陶瓷、水泥、发酵、钢铁和电力等行业的生产过程,在CO2排放方面,中国是仅次于美国的世界第二大国,并将很快取代美国成为第一排放大国[2]。为了缓解地球温室效应,将大气温室气体浓度稳定在一个安全水平上,必须减少CO2的排放并进行有效的治理和利用。
将CO2催化转化不仅有利于消除大气温室效应,又能合成有机燃料或其它化工中间产物。解决这一问题的最有效手段是将CO2还原为甲酸、甲醛等有用的产物。为了实现这一转化,人们进行了很多方面的研究,由于CO2分子十分稳定,且反应受热力学平衡的限制,常规的热表面催化反应技术难以实现这类反应[3]。目前最有应用前景的是光催化转化,因为光能不会造成环境污染。因此,光催化还原CO2合成有机化学品有很大的环保和能源利用意义。
2 CO2的光催化
国内外研究现状
控制温室气体的排放总量是全球共同关心的环境问题,已引起各国政府、产业和学术界的广泛关注。当前,控制减缓CO2的主要方法首先是从源头上减排,即通过调整产业、经济、能源结构,鼓励低排放、低能耗企业的建设,对高能耗的企业实行技术改造;大力发展节能技术,提高能源利用率;寻找新能源[5];其次,对迫不得已排放的CO2通过回收分离、捕获贮存、资源化利用等技术减少或消除其排放[6]。
其中CO2捕集技术成本高,封存技术的安全性不能保障[7],CO2的高温转化一般在900℃以上才有较高的转化率,而且催化剂表面易积炭,并容易发生结构的变化[8]。所以到现在为止还没有一种经济和有效的工业技术。这使得化学固定、催化循环利用CO2的研究,受到广泛重视。目前CO2催化消除的主要技术有:合成甲烷气体;加氢生成甲醇、二甲醚、甲酸;分解成C等[9]。催化剂的研究是这些转化技术中的重要部分。
CO2的惰性及热力学上的不利因素使CO2难以活化还原[10],用传统方法制备的催化剂存在着转化率低,副产物多及选择性不高等问题[11]。因此,新型高效催化剂研制及相应低温高转化率合成过程的开发是CO2催化转化工艺路线的核心问题之一。催化剂研发的一个新的趋势是使CO2转化成燃料和化学品。
在光还原CO2的研究中,大部分集中在TiO2与其他金属或金属氧化物的耦合上或利用金属参杂。目前,用于光催化降解环境污染物的催化剂多为半导体材料,如TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2、Fe2O3等,TiO2是在环境分析中应用最广泛的光催化剂之一。除了其在大气和水处理中的应用,在能源方面也有涉及[4]。例如在水分解和光化学太阳能电池中的应用。随着对释放到大气中碳的关注度日益增加,对TiO2的关注也随之增加。通过TiO2可将CO2转化为甲烷、甲醇等可储存燃料,有潜在的利用价值