Переработка диоксида углерода с использованием фотокатализатора | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №3 (137) январь 2017 г.

Дата публикации: 23.01.2017

Статья просмотрена: 153 раза

Библиографическое описание:

Жмуркин С. Ю., Зарывахина С. А. Переработка диоксида углерода с использованием фотокатализатора // Молодой ученый. — 2017. — №3. — С. 72-75. — URL https://moluch.ru/archive/137/38593/ (дата обращения: 21.09.2018).



Описан механизм восстановления CO2 с использованием фотокатализатора на основе диоксида титана, рассчитан стандартный окислительно-восстановительный потенциал, по величине которого установлена возможность протекания реакций получения метана и его гомологов на поверхности TiO2.

Ключевые слова: фотокатализ, диоксид титана, углекислый газ, метан, спектр поглощения

Проблема загрязнения окружающей среды углекислым газом. За последние десятилетия деятельность человека достигла значительного прогресса: идет активное использование природных ресурсов; стремительное развитие промышленности, что порождает немало экологических проблем, и необоснованно высокий выброс углекислого газа в атмосферу является одной из них.

О защите озонового слоя Земли серьезно задумались лишь в 1987 году, а через 10 лет был подписан Киотский протокол, являющийся первым международным документом об охране окружающей среды. Он был основан на рыночном механизме регулирования промышленных выбросов парниковых газов в атмосферу, большую долю из которых составляет углекислый газ (CO2).

Основными источниками выбросов CO2 в атмосферу являются: тепловые и электростанции — 27 %, промышленность — 20 %, отопление и малая энергетика — 20 %, автотранспорт — 17 %. Все это усиливает парниковый эффект — способность атмосферы улавливать и накапливать тепло. Вследствие этого тепло не отводится от нашей планеты, происходит увеличение средней температуры на поверхности Земли, а это приводит к жаре, засухам, таяниям ледников, наводнениям [1].

Суммарный выброс углекислого газа составляет от 130 до 1100 млрд. т/год. Большая часть из этого обусловлена природными явлениями и на антропогенный фактор приходится не более 10 %, но именно эта доля нарушает равновесие в атмосфере.

Существует несколько методом очистки воздуха от диоксида углерода. Перспективным представляется переход к возобновляемым источникам энергии, таким как энергия воды, ветра, солнца. Использование автотранспорта, который работает не на классическом топливе, а на электричестве, вероятно, поможет уменьшить число выбросов диоксида углерода в атмосферу, но проблема нехватки электроэнергии приведет к строительству новых, преимущественно тепловых, электростанций, которые являются более существенными источниками выброса CO2 в атмосферу, нежели автомобили [2].

Из анализа литературных данных следует, что основными методами очистки воздуха от диоксида углерода являются — абсорбция жидкостями, адсорбция твердыми цеолитами, а также фотокаталитическая очистка [3]. Фотокаталитические методы — это самые современные и универсальные методы, основанные на явлении фотокатализа. Фотокатализ — это возбуждение химических реакций или изменение их скорости под действием света в присутствие фотокатализатора — вещества поглощающего кванты света, участвующего в химических реакциях и восстанавливающего свой химических состав после всех взаимодействий. Самый известный пример фотокаталитической реакции в природе — это процесс растительного фотосинтеза (рисунок 1):

fotosintez-shema.jpg

Рис. 1. Процесс растительного фотосинтеза

Процесс переработки углекислого газа под действием солнечного света в присутствии фотокатализатора решает сразу как экологическую проблему, так и энергетическую, потому, что продуктом реакции является метан — высокоэнергетическое топливо [4].

Методика фотокаталитического восстановления диоксида углерода. Для процесса фотокаталитического восстановления CO2 используется диоксид титана со структурой анатаза и размерами частиц около 40–45 нм [5]. Методом синтеза является золь-гель технология [6], позволяющая варьировать размеры, структуру и морфологию частиц диоксида титана путем гибкого изменения условий синтеза [7]. Данный метод не является энергозатратным и трудоемким.

Чистый диоксид титана поглощает излучение лишь в УФ области солнечного излучения и имеет ширину запрещенной зоны в пределах 3,2–3,6 эВ. Для использования видимого солнечного света в процессе фотокатализа диоксид титана допируется азотом. Это сдвигает область поглощения излучения в диапазон 400–440 нм, а также сужает ширину запрещенной зоны до значений 2,8–3,1 эВ. Для повышения скорости фотокаталитических реакций и более эффективного разделения пар носителей заряда поверхность допированного азотом диоксида титана рекомендуется дополнительно декорировать частицами металла, например золота. Процессы допирования и декорирования можно проводить непосредственного в процессе золь-гель синтеза фотокаталитического материала [8].

Основная химическая реакция, характеризующая процесс фотовосстановления CO2:

(1)

При комнатной температуре и атмосферном давлении данная реакция не протекает, так как константа равновесия её Kp равна 10–150. Однако на поверхности частиц TiO2 при облучении солнечным светом процесс восстановления молекул углекислого газа возможен:

(2)

Процесс восстановления протекает на поверхности частиц диоксида титана и на поверхности частиц металла. Схема процесса представлена на рисунке 2:

Рис. 2. Схема восстановления диоксида углерода в парах воды

Поглощая квант света, в объеме частицы фотокатализатора генерируются пары носителей заряда. Частицы металла на поверхности захватывают электроны:

(3)

(4)

На поверхности электроны и дырки реагируют с адсорбированными молекулами углекислого газа. Дырки влияют на процесс разложения воды:

(5)

Из катионов водорода образуются водородные радикалы:

(6)

Водородные радикалы вместе с электронами восстанавливают адсорбированные молекулы CO2.

Положение зоны проводимости TiO2 относительно стандартного водородного электрода (с.в.э) равно -0,5 В, поэтому на поверхности диоксида титана не смогут протекать реакции с потенциалом меньше данного [9].

Можно рассчитать вероятность протекания реакций на поверхности фотокатализатора. С помощью данных из литературы [10] рассчитаем по уравнению Нернста потенциалы нескольких реакций:

, (7)

где p — концентрация катионов водорода (примем её как в воде равной 1∙10–7 моль), E0 — стандартный окислительно-восстановительный потенциал, который рассчитывается по формуле:

, (8)

где N — количество электронов в реакции, F — постоянная Фарадея, ΔG — изменение энергии Гиббса (данные для расчета берутся из [10]).

Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Реакции, их потенциал ипродукты

Реакция

Потенциал реакции, В

Продукт реакции

-0,091

Метан

-0,389

Этан

-0,126

Метанол

-0,314

Ацетон

-0,347

Этанол

-0,512

Монооксид углерода

-0,582

Муравьиная кислота

Из анализа таблицы следует, что потенциал реакций получения CO и HCOOH меньше потенциала зоны проводимости диоксида титана относительно с. в.э. Поэтому данные соединения в качестве продуктов реакции получить на поверхности TiO2 нельзя.

Литература:

  1. Дрябжинский О. Е. Негативное влияние автотранспорта. Проблема усиления парникового эффекта. // Современные тенденции развития науки и технологий. — 2015. — № 8. — часть 4. — Белгород. — С. 88–91.
  2. Ермолаев В. С., Иночкин М. В., Пузык И. П., Пузык М. В. Парниковый эффект: диоксид углерода и антропогенный фактор. // Общество, среда, развитие (Terra Humana). — 2007. — № 2. — С. 77–82.
  3. Аверин И. А., Пронин И. А., Мошников В. А., Димитров Д. Ц., Якушова Н. Д., Карманов А. А., Кузнецова М. В. Анализ каталитических и адсорбционных свойств d-металлов-модификаторов диоксида олова // Нано — и микросистемная техника. 2014. — № 7. — С. 47–51.
  4. Балашев К. П. Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии. // Соровский образовательный журнал. — 1998. — № 8. — С. 58–64.
  5. Патент РФ № 2012129467/28, 11.07.2012 // Аверин И. А., Игошина С. Е., Пронин И. А., Карманов А. А., Печерская Р. М. Способ определения концентрации и среднего размера наночастиц в золе. — Патент России № 2502980. — 2013.
  6. Аверин И. А., Игошина С. Е., Мошников В. А., Карманов А. А., Пронин И. А., Теруков Е. И. Чувствительные элементы датчиков вакуума на основе пористых наноструктурированных пленок SiO2-SnO2, полученных золь-гель методом // Журнал технической физики. 2015. — Т. 85. — № 6. — С. 143–147.
  7. Пронин И. А., Якушова Н. Д., Карманов А. А., Аверин И. А., Мошников В. А. Модель сборки нанокомпозитных и иерархических наноструктур в золь-гель процессах // Нано — и микросистемная техника. 2016. — Т. 18. — № 8. — С. 472–478.
  8. Глазкова Н. И., Никитин К. В., Катаева Г. В. Сенсибилизация диоксида титана к видимому свету, допирование и со-допирование металлами и неметаллами. // Фундаментальные исследования. — 2013. — № 10. — С. 1955–1958.
  9. Roy S. C., Varghese O. K., Paulose M., Grimes C. A. Toward Solar Fuels: Photocatalytic Conversion of Carbon Dioxide to Hydrocarbons // Nano Letters. — 2010. — V.4. — № 3. — P. 1259–1278.
  10. Рабинович В. А. Краткий химический справочник. // Л.: Издательство «Химия». — 1997. — 376 с.
Основные термины (генерируются автоматически): углекислый газ, реакция, титан, поверхность частиц, HCOOH, фотокаталитическое восстановление, стандартный окислительно-восстановительный потенциал, солнечный свет, растительный фотосинтез, присутствие фотокатализатора.


Ключевые слова

фотокатализ, метан, диоксид титана, углекислый газ, спектр поглощения

Похожие статьи

Фотокаталитические свойства наноразмерного оксида цинка...

Наиболее перспективным полупроводниковым фотокатализатором является диоксид титана в модификации анатаза.

частиц и сенсоров при определении молекулярного состава газов.

Расстояние между источником света и поверхностью водной дисперсии — 15 см...

Исследование фотокаталитической активности тонких пленок...

В настоящее время солнечный свет признан одним из наиболее перспективных альтернатив источникам энергии на ископаемом топливе [1]

Рис.3. Схема процессов фотокаталитического окисления метиленового синего. При действии на фотокатализатор УФ-излучения с энергией...

Фотокатализ на компонентах полупроводниковой системы...

Свет сначала используется для генерирования окислительно-восстановительных эквивалентов [3–5].

2. Пармон В. Н. Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии.

7. Саката Т., Каваи Т. Фотосинтез и фотокатализ на полупроводниковых порошках...

Получение питьевой воды с отрицательным...

Одним из наиболее значимых факторов регулирования параметров является окислительно-восстановительная реакция, которая протекает в любой жидкой среде.ОВП (Окислительно-Восстановительный Потенциал) воды — это показатель ее окислительных...

Использование новой технологии электрохимической активации...

В ходе обработки сточных вод феррат-ионами происходит восстановление железа с +6 до +3; в результате образуется нетоксичное соединение, обладающее ярко выраженными

Окислительно-восстановительный потенциал феррат-ионов зависит от рН среды.

Исследование газочувствительных оксидов металлов, полученных...

С другой стороны, большинство окислительно-восстановительных реакций, протекающих при взаимодействии газа с поверхностью оксида металла

Исследование фотокаталитической активности тонких пленок ZnO, полученных золь-гель методом, в модельной реакции...

Получение и исследование пленок перовскита | Статья в журнале...

6. Способность поглощать солнечный свет в широком диапазоне длин волн

Исследование фотокаталитической активности тонких пленок ZnO, полученных золь-гель методом, в модельной реакции окисления метиленового синего.

Создание и исследование катализаторов на основе солей...

Также значительный интерес представляет формирование каталитической поверхности при участии ионов алюминия.

1- Al, 2- OH или H2O. Не исключено присутствие в растворе комплексов с большими степенями полимеризации. Ионы титана в растворе образуют...

Окислительно-восстановительный водный потенциал...

Разность электрических потенциалов между ними и есть окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). В организме человека энергия, выделяемая в ходе окислительно-восстановительных реакций...

Фотокаталитические свойства наноразмерного оксида цинка...

Наиболее перспективным полупроводниковым фотокатализатором является диоксид титана в модификации анатаза.

частиц и сенсоров при определении молекулярного состава газов.

Расстояние между источником света и поверхностью водной дисперсии — 15 см...

Исследование фотокаталитической активности тонких пленок...

В настоящее время солнечный свет признан одним из наиболее перспективных альтернатив источникам энергии на ископаемом топливе [1]

Рис.3. Схема процессов фотокаталитического окисления метиленового синего. При действии на фотокатализатор УФ-излучения с энергией...

Фотокатализ на компонентах полупроводниковой системы...

Свет сначала используется для генерирования окислительно-восстановительных эквивалентов [3–5].

2. Пармон В. Н. Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии.

7. Саката Т., Каваи Т. Фотосинтез и фотокатализ на полупроводниковых порошках...

Получение питьевой воды с отрицательным...

Одним из наиболее значимых факторов регулирования параметров является окислительно-восстановительная реакция, которая протекает в любой жидкой среде.ОВП (Окислительно-Восстановительный Потенциал) воды — это показатель ее окислительных...

Использование новой технологии электрохимической активации...

В ходе обработки сточных вод феррат-ионами происходит восстановление железа с +6 до +3; в результате образуется нетоксичное соединение, обладающее ярко выраженными

Окислительно-восстановительный потенциал феррат-ионов зависит от рН среды.

Исследование газочувствительных оксидов металлов, полученных...

С другой стороны, большинство окислительно-восстановительных реакций, протекающих при взаимодействии газа с поверхностью оксида металла

Исследование фотокаталитической активности тонких пленок ZnO, полученных золь-гель методом, в модельной реакции...

Получение и исследование пленок перовскита | Статья в журнале...

6. Способность поглощать солнечный свет в широком диапазоне длин волн

Исследование фотокаталитической активности тонких пленок ZnO, полученных золь-гель методом, в модельной реакции окисления метиленового синего.

Создание и исследование катализаторов на основе солей...

Также значительный интерес представляет формирование каталитической поверхности при участии ионов алюминия.

1- Al, 2- OH или H2O. Не исключено присутствие в растворе комплексов с большими степенями полимеризации. Ионы титана в растворе образуют...

Окислительно-восстановительный водный потенциал...

Разность электрических потенциалов между ними и есть окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). В организме человека энергия, выделяемая в ходе окислительно-восстановительных реакций...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Фотокаталитические свойства наноразмерного оксида цинка...

Наиболее перспективным полупроводниковым фотокатализатором является диоксид титана в модификации анатаза.

частиц и сенсоров при определении молекулярного состава газов.

Расстояние между источником света и поверхностью водной дисперсии — 15 см...

Исследование фотокаталитической активности тонких пленок...

В настоящее время солнечный свет признан одним из наиболее перспективных альтернатив источникам энергии на ископаемом топливе [1]

Рис.3. Схема процессов фотокаталитического окисления метиленового синего. При действии на фотокатализатор УФ-излучения с энергией...

Фотокатализ на компонентах полупроводниковой системы...

Свет сначала используется для генерирования окислительно-восстановительных эквивалентов [3–5].

2. Пармон В. Н. Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии.

7. Саката Т., Каваи Т. Фотосинтез и фотокатализ на полупроводниковых порошках...

Получение питьевой воды с отрицательным...

Одним из наиболее значимых факторов регулирования параметров является окислительно-восстановительная реакция, которая протекает в любой жидкой среде.ОВП (Окислительно-Восстановительный Потенциал) воды — это показатель ее окислительных...

Использование новой технологии электрохимической активации...

В ходе обработки сточных вод феррат-ионами происходит восстановление железа с +6 до +3; в результате образуется нетоксичное соединение, обладающее ярко выраженными

Окислительно-восстановительный потенциал феррат-ионов зависит от рН среды.

Исследование газочувствительных оксидов металлов, полученных...

С другой стороны, большинство окислительно-восстановительных реакций, протекающих при взаимодействии газа с поверхностью оксида металла

Исследование фотокаталитической активности тонких пленок ZnO, полученных золь-гель методом, в модельной реакции...

Получение и исследование пленок перовскита | Статья в журнале...

6. Способность поглощать солнечный свет в широком диапазоне длин волн

Исследование фотокаталитической активности тонких пленок ZnO, полученных золь-гель методом, в модельной реакции окисления метиленового синего.

Создание и исследование катализаторов на основе солей...

Также значительный интерес представляет формирование каталитической поверхности при участии ионов алюминия.

1- Al, 2- OH или H2O. Не исключено присутствие в растворе комплексов с большими степенями полимеризации. Ионы титана в растворе образуют...

Окислительно-восстановительный водный потенциал...

Разность электрических потенциалов между ними и есть окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). В организме человека энергия, выделяемая в ходе окислительно-восстановительных реакций...

Фотокаталитические свойства наноразмерного оксида цинка...

Наиболее перспективным полупроводниковым фотокатализатором является диоксид титана в модификации анатаза.

частиц и сенсоров при определении молекулярного состава газов.

Расстояние между источником света и поверхностью водной дисперсии — 15 см...

Исследование фотокаталитической активности тонких пленок...

В настоящее время солнечный свет признан одним из наиболее перспективных альтернатив источникам энергии на ископаемом топливе [1]

Рис.3. Схема процессов фотокаталитического окисления метиленового синего. При действии на фотокатализатор УФ-излучения с энергией...

Фотокатализ на компонентах полупроводниковой системы...

Свет сначала используется для генерирования окислительно-восстановительных эквивалентов [3–5].

2. Пармон В. Н. Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии.

7. Саката Т., Каваи Т. Фотосинтез и фотокатализ на полупроводниковых порошках...

Получение питьевой воды с отрицательным...

Одним из наиболее значимых факторов регулирования параметров является окислительно-восстановительная реакция, которая протекает в любой жидкой среде.ОВП (Окислительно-Восстановительный Потенциал) воды — это показатель ее окислительных...

Использование новой технологии электрохимической активации...

В ходе обработки сточных вод феррат-ионами происходит восстановление железа с +6 до +3; в результате образуется нетоксичное соединение, обладающее ярко выраженными

Окислительно-восстановительный потенциал феррат-ионов зависит от рН среды.

Исследование газочувствительных оксидов металлов, полученных...

С другой стороны, большинство окислительно-восстановительных реакций, протекающих при взаимодействии газа с поверхностью оксида металла

Исследование фотокаталитической активности тонких пленок ZnO, полученных золь-гель методом, в модельной реакции...

Получение и исследование пленок перовскита | Статья в журнале...

6. Способность поглощать солнечный свет в широком диапазоне длин волн

Исследование фотокаталитической активности тонких пленок ZnO, полученных золь-гель методом, в модельной реакции окисления метиленового синего.

Создание и исследование катализаторов на основе солей...

Также значительный интерес представляет формирование каталитической поверхности при участии ионов алюминия.

1- Al, 2- OH или H2O. Не исключено присутствие в растворе комплексов с большими степенями полимеризации. Ионы титана в растворе образуют...

Окислительно-восстановительный водный потенциал...

Разность электрических потенциалов между ними и есть окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). В организме человека энергия, выделяемая в ходе окислительно-восстановительных реакций...

Задать вопрос