ساخت فتوکاتالیست TiO2-x/CoOx برای احیای فتو-ترمو-کاتالیستی CO2 با جریان آب، برای تبدیل مستقیم CO2 به یک سوخت پاک (متان)
TiO2−x/CoOx Photocatalyst Sparkles inPhotothermocatalytic Reduction of CO2 with H2O Steam (27 December 2018)
یکی از مهمترین خواص مواد، خواص کاتالیستی است که کاربردهای وسیعی در صنایع گسترده دارد و مهندسین مواد نیز میتوانند در آن، نقش موثری ایفا کنند. زمینه مرتبط با خواص کاتالیستی، قابلیت جذب مواد، و خواص فتوکاتالیستی مواد، اصطلاحاً Materials Chemistry نامیده میشود که در بیشتر دانشگاههای معتبر داخلی و خارجی نیز، این گروهها نقش موثری در زمینه تولید انرژی، مراقبت از محیط زیست، حذف آلایندههای آب، شیرینسازی آب و غیره، دارند. با توجه به اهمیت خواص کاتالیستی و واکنشی مواد، این پست به خواص فتوکاتالیستی میپردازد.
فتوسنتز مصنوعی که شامل فرایندهای تفکیک آب و احیای CO2 میشود و از طبیعیت الهام گرفته است، برای تولید سوخت پایا (Sustainable) بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با این حال، فتوسنتز مصنوعی از طریق این دو فرایند، بازدهی تبدیل پایین و گزینشپذیری پایینی نسبت به محصولات با ارزش، دارد. تحقیقات اخیر، نشان دادهاند که اثرات همآیند فتو-ترمال پتانسیل بالایی در احیای کاتالیستی CO2 دارد که از طریق آن، کاتالیست میتواند فعالیت بالاتری در احیای CO2 نشان دهد که بیشتر از مجموع فعالیت فتوکاتالیستی و فعالیت ترموکاتالیستی در فرایند فتوترموکاتالیسیتی است. از دیدگاه ترمودینامیکی، فتو-برانگیختگی با گرما چندین مزیت در فتوسنتز مصنوعی دارد که شامل این موارد میشود: 1- حرارت دادن کمک میکند که احیای CO2 صورت پذیرد، 2- حرارت دادن آب به بالاتر از 373 کلوین، مایع را به گاز تبدیل میکند که از طریق این فرایند، H2O و CO2 در حالت گازی به صورت یکنواخت با یکدیگر ترکیب میشوند و بر انحلال پذیری نرمال پایین CO2 در H2O غلبه میشود؛ و 3- حرارت دادن مشخصاً نرخ این واکنشها را افزایش میدهد. در نتیجه ضروری است که بر فرایند فتوترموکاتالیستی توجه شود تا بر بازدهی تبدیل پایین فتوکاتالیستهای موجود در زمینه فتوسنتز مصنوعی غلبه گردد.
مواد نیمهرسانای غیرآلی برای احیای فتوکاتالیستی CO2 با H2O بسیار مناسب هستند که در این واکنش، بازدهی تبدیل و گزینش پذیری وابسته به قابلیت جذب نور، جدایش بار و مسیرهای انتقال بار در سطح است. بر روی فتوکاتالیستهای نیمه رسانا مانند TiO2، اغلب کاتالیستهای نانومقیاس اکسید فلزی قرار میگیرد تا جدایش بار را تقویت کرده و مسیرهای واکنش در احیای CO2 و اکسایش آب را اصلاح کنند. در پژوهشی که در مجله معتبر Applied Catalysis B: Environmental با ضریب تاثیر بالاتر از 10 چاپ شده است، محققین برای اصلاح خواص فتوکاتالیستی TiO2، با استفاده از هیدروژن و CoCl2، آن را اصلاح کردهاند. نانولوله فاز آناتاس TiO2 به عنوان پایه کاتالیست انتخاب شده است چون سطح ویژه بالایی دارد و برای پراکنش ذرات فلزی، مناسب است. نانوذرات CoOx از طریق هیدرولیز CoCl2 بر روی سطح TiO2 تشکیل شدند و اندازه آنها از طریق یک فرایند اصلاحی، تغییر داده شد. از این طریق، کاتالیستهای TiO2-x/CoOx ساخته شدند که قطر CoOx در آن، کمتر از 2 نانومتر بوده است و فعالیت بالایی در تولید متان، به عنوان یک سوخت پاک، داشته است. این کار موجب شد که فعالیت کاتالیستی، 175 بار سریع تر از TiO2 معمولی باشد که همآیندی قابل توجه فرایند فتو-ترمال را تایید میکند. در واکنش فتوکاتالیستی با این نانوساختار نوین، تحت تابش نور فرابنفش در دمای بالاتر از 393 کلوین، میتوان با نرخ بسیار بالاتری نسبت به فتوکاتالیستهای متداول، متان و CO تولید کرد. این عملکرد فوق العاده را میتوان به احیای فتوترموکاتالیستی CO2 به CH4 از طریق اثر جاهای خالی اکسیژن و CoOx قرار گرفته بر روی سطحِ پایه کاتالیست، نسبت داد: جاهای خالی اکسیژن در سطح TiO2، جذب و احیای CO2 را تسهیل میکنند و نانوکلاسترهای CoOx، اکسایش H2O را افزایش میدهند و در نتیجه جدایش الکترونها و حفرهها بهتر صورت میگیرد و به صورت ویژهای، احیای CO2 و تبدیل مستقیم به متان به عنوان یک محصول با ارزش را افزایش تقویت میشود.
لازم به ذکر است که در پژوهشهای جدید، محققین به دنبال روشهایی هستند که به صورت مستقیم، یک محصول با ارزش از CO2 تولید کنند که میتواند شامل سوختهای پاک مانند متان یا نانوساختارهای کربنی مانند گرافن، باشد.
#فتوکاتالیست #کاتالیست #TiO2 #تیتانیا
گروه علمی و پژوهشی مهندسی و علم مواد (MatRes)