ВОЗ

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 10298 (2023) Цитировать эту статью

876 Доступов

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы сообщаем о совместном электролизе морской воды и углекислого газа (CO2) в безмембранном микрофлюидном реакторе, интегрированном в солнечную батарею, для непрерывного синтеза органических продуктов. Микрофлюидный реактор был изготовлен с использованием полидиметилсилоксановой подложки, состоящей из центрального микроканала с парой входов для ввода газа CO2 и морской воды и выхода для удаления органических продуктов. В микроканал была вставлена ​​пара медных электродов, чтобы обеспечить его прямое взаимодействие с поступающим газом CO2 и морской водой при их прохождении в микроканал. Соединение панелей солнечных батарей с электродами создавало электрическое поле высокой интенсивности на электродах при низком напряжении, что способствовало совместному электролизу CO2 и морской воды. Парный электролиз газа CO2 и морской воды позволил получить ряд промышленно важных органических веществ под воздействием внешнего электрического поля, создаваемого солнечными батареями. Синтезированные органические соединения собирали в дальнейшем и идентифицировали с использованием методов определения характеристик. Кроме того, были предложены возможные механизмы электрохимических реакций вблизи электродов для синтеза органических продуктов. Включение парникового газа CO2 в качестве реагента, морской воды в качестве электролита и солнечной энергии в качестве недорогого источника электроэнергии для инициирования совместного электролиза делает микрореактор недорогой и устойчивой альтернативой для связывания CO2 и синтеза органических соединений.

Микрореактор состоит из микроканалов непрерывного потока с типичным диаметром менее 1 мм и реакционными объемами от нанолитров до микролитров1,2,3. За последнее десятилетие микрореакторы произвели революцию в фармацевтической промышленности4,5,6, диагностике на месте7, чистой энергетике8,9 и высокопроизводительном химическом синтезе10,11,12. По сравнению с периодическими процессами, микрореакторная технология позволяет осуществлять непрерывный синтез коммерческих продуктов с сокращенным временем реакции, улучшенным выходом, улучшенной селективностью, более высокой эффективностью, большей прибыльностью, точным контролем реакции, сокращением отходов и безопасным проведением опасных реакций13,14. Микрореакторы могут в основном использоваться для утилизации и секвестрации газа CO2 с целью синтеза органических соединений15,16,17.

Высокие уровни выбросов CO2 в результате промышленной деятельности, автомобильных выхлопов или сжигания ископаемого топлива спровоцировали нежелательное изменение климата, глобальное потепление и серьезный экологический стресс во всем мире18. В результате необходимы инновационные решения для сокращения выбросов CO2 и преобразования газа CO2 в коммерческие продукты19. На практике улавливание, извлечение, очистка и преобразование CO2 с помощью химических или электрохимических процессов в настоящее время затруднены из-за их высокой стоимости и энергетических затрат20. Наиболее перспективным подходом к связыванию CO2 является преобразование чистого газа CO2 в такие продукты, как спирт, карбоновая кислота, альдегид, сложный эфир, кетон, парафин или растворитель для промышленного использования21,22. Предыдущие исследования показали, что макроскопические реакторы периодического действия можно использовать для электрохимического восстановления атмосферного CO2 в метанол23,24,25. В недавнем прошлом, помимо переработки нефти, дизельного топлива или других жидких углеводородных смесей, CO2 из дымовых газов подвергался электрохимическому восстановлению с целью производства различных органических продуктов с добавленной стоимостью, таких как муравьиная кислота (HCOOH), формальдегид (HCHO). ) и метанол (CH3OH)26,27,28,29. Кроме того, были также разработаны системы реакции обратной конверсии воды и газа с помощью катализатора для конверсии атмосферного CO2 в углеводородное топливо в присутствии морской воды30. Недавние исследования показали, что электрохимическая ячейка может производить карбоновую кислоту, гликоль и карбоксилатные соединения путем одновременного электролиза H2O в одном отсеке и снижения CO2 в другом отсеке31,32,33,34,35. Было продемонстрировано, что совместный электролиз CO2 и H2O с альтернативными источниками энергии, такими как ветер и солнечное излучение, может использоваться для производства углеводородного топлива и промышленных химикатов36,37,38. Литературные сообщения показали, что микроканальные реакторы могут восстанавливать CO2 в гальванических условиях путем каталитического электрохимического восстановления39,40. Эффективное преобразование парникового газа CO2 в углеводороды с добавленной стоимостью станет возможным благодаря разработке безкатализаторной системы микрореакторов на солнечной энергии.