Фенолят калия и углекислый газ


к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обо

Задание № 22968

Установите соответствие между реагирующими веществами и органическим веществом, которое является продуктом взаимодействия: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА

А) фенол и гидроксид калия

Б) фенол и калий

В) фенолят калия и углекислый газ

Г) фенолят калия и бромметан

ПРОДУКТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

1) трибромфенол

2) фенолят калия

3) фенол

4) метилфениловый эфир

5) монобромфенол

6) бензоат натрия


Показать ответ

Комментарий:

А) С6Н5ОН + КОН —> C6H5OK + HOH

Б) С6Н5ОН + К —> C6H5OK + 1/2 H2

B) C6H5OK + CO2 + H2O —> C6H5OH + KHCO3

Г) C6H5OK + CH3Br —> C6H5OCH3 + KBr

Ответ: 2234

Улучши свой результат с курсами ЕГЭ/ОГЭ/ВПР на egevpare.ru

Предложи свой вариант решения в комментариях 👇🏻

Фенолят калия, алкилирование с помощью - Большая химическая энциклопедия

Анионы цианида и тиоцианата в водном растворе могут быть определены как цианогенбромид после реакции с бромом [686]. Тиоцианат-анион можно количественно определить в присутствии цианида, добавив к образцу избыток раствора формальдегида, который превращает цианид-ион в инертный циангидрин. Пределы обнаружения цианид- и тиоцианат-анионов были меньше 0.01 ppm с детектором электронного захвата. Йод в кислотном растворе реагирует с ацетоном с образованием монойодацетон, который может быть обнаружен с высокой чувствительностью с помощью детектора захвата электронов [687]. Реакция специфична для йода, йодид определяется после окисления йодатом. Нитрат-анион может быть определен в водном растворе после превращения в нитробензол реакцией с бензолом в присутствии серной кислоты [688,689]. Предел обнаружения нитрат-аниона менее 0,1 ppm.Нитрит-анион можно определить после окисления до нитрата перманганатом калия. Нитрит может быть определен непосредственно путем алкилирования щелочным раствором пентафторбензилбромида [690]. Выход производного составил около 80 т. С пределом обнаружения 0,46 нг в 0,1 мл водного образца. Пентафторбензил п-толуолсульфонат был использован для дериватизации карбоксилатных и фенолятных анионов и для одновременного дериватизации бромида, йодида, цианида, тиоцианата, нитрита, нитрата и сульфида в двухфазной системе с использованием цВорида тетрапентиламмония в качестве катализатора межфазного переноса [691].Пределы обнаружения соответствовали диапазону ppm. [Pg.959]

Степень C-алкилирования как побочной реакции при этерификации колеблется. Примерно 1% аллил-2-аллилфенилового эфира образуется, когда фенол используется в способе ацетона и карбоната калия с аллилбромидом с бромидом корицы или 7, 7-диметилаллилбромид степень C-алкилирования больше16. Сложная смесь продуктов C- и O-алкилирования получается в результате обработки фенола 4-бром-2-гексеном и 4-хлор-2-гексеном. 9 4-Гексенилрезорднол был получен с выходом около 40% в результате реакции 1-бром-2-гексена, резорцина и карбоната калия в кипящем ацетоне.99 Заметное количество C-алкилирования происходит, когда 2,6-диметилфенол обрабатывают аллилбромидом и этоксидом натрия в этаноле.70 Поскольку, как правило, количество C-алкилирования значительно увеличивается при проведении алкилирования натриевой соли. фенола в бензоле, 16 этот метод непригоден для получения аллилариловых эфиров. [Стр.23]

Дианион (307), легко получаемый из фенолов и сероуглерода в присутствии гидроксида калия в ДМСО, может быть алкилирован 1,2-дибромэтаном с образованием производных 1,3-дитиола (308) (65LA (684) 37).[Pg.845]

Влияние как подандов, так и коронандов на Sn2-алкилирование фенолята калия 1-бромбутаном в 1,4-диоксане s = 2,2) было исследовано Ugel -... [Pg.267]

Синтезы алкилфениловых эфиров, C, H, OR, проводят кипячением с обратным холодильником водных или спиртовых растворов фенолятов щелочных металлов с алкилгалогенидами, выходы зависят от природы алкилгалогенидов (40-80%). Реактивный галоген в бензилгалогенидах легко заменяется алкоксильной группой (95%). ° Иногда важен выбор растворителя.Таким образом, при получении простых алкиловых эфиров о- и п-гидроксибифенила из смеси фенола, алкилгалогенида и порошкообразного гидроксида калия высокие выходы достигаются при использовании ацетона в качестве растворителя, тогда как при использовании спирта в качестве растворителя только небольшие выходы получены. Триарилметилхлориды вступают в непосредственную реакцию со спиртами (97%). ... [Pg.565]

Фенол легко соединяется с солями диазония с образованием окрашенных соединений. Последний может быть использован для фотометрического обнаружения фенола, как и в случае диазотированного 4-нитроанилина.Сахциловая кислота (2-гидроксибензойная кислота) может быть получена с помощью реакции Кольбе-Шмитта (определяемой методом функциональной плотности) из фенолята натрия и диоксида углерода, тогда как фенолят калия дает пара-соединение. Алкилирование и ацилирование фенола можно проводить хлоридом алюминия в качестве катализатора. Метильные группы также могут быть введены по реакции Манниха. Диариловые эфиры могут производиться только в экстремальных условиях. [Стр.6]

Фенол реагирует с близкими и разветвленными алкенами в присутствии трилл фторметансульфоновой кислоты (CF3SO3H) в хлороформе с образованием орто- и пара-ауцилфенолов с умеренными выходами (уравнение 8) °.В случае разветвленных алкенов основными продуктами являются пара-алкилфенолы. Региоселективность резко меняется от полностью пара-алкилфенола к ортлио-алкилфенолу, переходя от 100% фенолята калия к 0% фенолята калия в присутствии кислоты Льюиса AICI3. [Стр.23). [Стр.51]

Арилалкиловые эфиры. Реакция спирта с триамидом гексаметилфосфора в четыреххлористом углероде при низких температурах приводит к образованию хлорида алкокситрис (диметиламино) фок> гония (1), который можно превратить в стабильный гексафторфосфат (2) путем добавления гексафторфосфата аммония. Соль (2) реагирует с фенолятами калия или арилтиофенолатами ... [Pg.143]

Синтез начался с реакции коммерчески доступного 2-метокси-4-нитроанилина, 1, с гидроксидом калия в водном диметилсульфоксиде с образованием фенола (2).Фенол алкилировали дибромтетрафторэтаном по общему пути, описанному Rico и Waskselman, с получением 2 (8). Для протекания этой реакции требуется добавление каталитического количества пропантиола, поскольку он способствует образованию на месте тетрафторэтилена, электрофила в реакции. [Pg.463]

Экстракция меркаптана используется для снижения общего содержания серы в топливе. Когда изобутират калия и крезилат натрия добавляют к каустической соде, растворимость высших меркаптанов увеличивается, и их можно экстрагировать из масла.Чтобы удалить следы сероводорода и алкилфенолов, масло предварительно обрабатывают каустической содой в насадочной колонне или другом смесительном устройстве. Смеси дают отстояться и продукт промывают водой перед хранением. [Стр.292]

Помимо реакций N-алкилирования, в литературе также есть сообщения, касающиеся O-алкилирования, стимулированного микроволнами. Мягкий метод O-алкилирования фенолов алкилбромидами и хлоридами был разработан Вагнером и его сотрудниками (Схема 6.117 a) [235]. Протокол применим к субстратам, чувствительным к сильным основаниям или к гидролизу, или трудным извлечь из водной фазы.В методике используется метанол в качестве растворителя и стехиометрическое количество карбоната калия в качестве слабого основания. Оптимальные выходы были получены при нагревании фенола с 1,2 эквивалентами алкилбромида (или 3 эквивалентами менее реакционноспособного хлорида) при 100-140 ° C в течение 15-30 минут. [Стр.186]

Способность галогенидов четвертичного аммония образовывать комплексные ионные пары со слабыми Н-связями с кислотами хорошо известна, о чем свидетельствует стабильность дифторида четвертичного аммония и трифторидов дигидрогена [e.грамм. 60] и экстрагируемость галогеновокислот [61]. Также было показано, что более слабые кислоты, такие как хлорноватистая кислота, карбоновые кислоты, фенолы, спирты и перекись водорода [61-64], также образуют сложные ионные пары. Такие ионные пары часто могут быть полезными в реакциях фазового переноса, но липофильная природа Н-связанных комплексных ионных пар с оксикислотами, например [Q + X HOAr] или [Q + X HO.CO.R], ингибирует реакции O-алкилирования, что требует поддержания водной фазы при pH> 7,0 с помощью карбоната натрия или калия для обеспечения эффективного образования простых эфиров или этерификации [49, 64].[Стр.14]


.

Фенолят калия Номер CAS: 100-67-4

фенолят калия Основная информация
Наименование продукта: фенолят калия
Синонимы: фенолят калия; ФЕНОКСИД КАЛИЯ; фенилат калия; фенилат калия; фенилат калия; фенилат калия ; бензолат калия; 100-67-4
CAS: 100-67-4
MF: C6H5KO
MW: 132.2016
EINECS: 202-877-7
Категории продуктов:
Mol Файл: 100-67-4.mol
Фенолят калия Химические свойства
RIDADR 2905
Класс опасности 8
Группа упаковки III
Использование и синтез фенолят калия
Продукты и сырье для получения фенолята калия
.

Двуокись углерода

Питательные вещества ухудшают обесцвечивание кораллов

21 августа 2020 г. - Питательные вещества могут усугубить и без того негативные последствия изменения климата для кораллов и вызвать массовое обесцвечивание кораллов. Исследование показывает, что менеджеры экосистемы могут снизить воздействие обесцвечивания кораллов на ...


Эпоха внутреннего ядра Земли, пересмотренная

21 августа 2020 г. - Создав условия, похожие на центр Земли, внутри лабораторной камеры, исследователи улучшили оценку возраста твердого внутреннего ядра нашей планеты, оценив его в 1 миллиард к 1.3 ...


21 августа 2020 г. - Как разные виды птиц реагируют на экстремальные погодные явления, которые происходят в течение разного периода времени, начиная от ...


Познакомьтесь с менеджерами хедж-фондов Avian World

21 августа 2020 г. - Новое исследование показывает, что паразиты-выводки, живущие в более изменчивых и непредсказуемых средах обитания, имеют тенденцию паразитировать - или садиться на корточки и бросать свои яйца в гнезда с большим разнообразием и количеством...


.

Конверсия углекислого газа в метанол: возможности и фундаментальные проблемы

1. Введение

В настоящее время спрос на энергию быстро растет из-за экономического роста во всем мире. Чтобы удовлетворить этот растущий спрос, необходимо большое количество ископаемого топлива (нефть, уголь и природный газ) [1]. Сжигание ископаемого топлива часто рассматривается как одна из основных угроз для окружающей среды из-за выброса CO 2 в атмосферу. CO 2 , который считается первичным парниковым газом (ПГ), периодически обменивается на поверхности суши, океана и атмосферы, где различные существа, включая животных, растения и микроорганизмы, поглощают и производят его ежедневно.Однако тенденции процесса выделения и потребления CO 2 должны быть сбалансированы по своей природе. С 1750 года, когда началась промышленная революция, изменилось изменение климата в связи с деятельностью, связанной с промышленностью. Чтобы сократить выбросы парниковых газов, процессы секвестрации и хранения CO 2 (CSS) получили широкое внимание. Однако это увеличит количество доступного уловленного CO 2 в качестве сырья с нулевой стоимостью. Таким образом, использование CO 2 и преобразование его в топливо и химикаты, которое называется процессом улавливания и рециркуляции углерода (CCR), является активным вариантом, используемым во всем мире для преобразования пригодных для использования продуктов в ценные продукты, и он используется для уменьшения выбросов CO 2 выбросов, что более предпочтительно по сравнению с вариантом CSS [2, 3, 4, 5].В последние годы преобразование CO 2 в химикаты с добавленной стоимостью (например, этанол, метанол и муравьиную кислоту) с использованием различных способов привлекло большое внимание исследователей, поскольку его можно рассматривать как решение для сокращения глобального потребления. потепление [6, 7, 8], энергетический кризис (т. е. истощение запасов ископаемого топлива) [9, 10, 11] и проблемы хранения энергии [12]. Метанол - это возобновляемый источник энергии, который можно производить из любого сырья, содержащего углерод (в основном, CO 2 ), а также это чистый источник энергии, который можно использовать в качестве транспортного топлива.В целом, чтобы топливо удовлетворяло рыночный спрос, оно должно быть экологически безопасным, чистым и способным синтезироваться из доступных ресурсов. Фактически, в настоящее время большинство производственных компаний по всему миру используют метанол в качестве сырья для производства различных продуктов. Метанол используется для производства таких растворителей, как уксусная кислота, на которые приходится 10% мирового спроса [13]. Метанол также может использоваться в топливных элементах с прямым метанолом (DMFC), которые используются для преобразования химической энергии метанола непосредственно в электрическую энергию в условиях окружающей среды [14].Метанол считается одним из важнейших видов органического сырья, которое может использоваться в отраслях промышленности с годовым объемом производства 65 миллионов тонн во всем мире [15]. Однако термин «экономика метанола» включает антропогенный углеродный цикл для производства метанола, как показано на рисунке 1, который можно использовать в качестве возобновляемого топлива или для производства почти всех продуктов, полученных из ископаемого топлива [16, 17]. Завод Джорджа Олаха компании Carbon Recycling International (CRI) считается крупнейшим в мире заводом по производству метанола с CO 2 .В 2015 году компания Carbon Recycling International (CRI) увеличила мощность завода с 1,3 миллиона литров метанола в год до более 5 миллионов литров в год. Сейчас завод перерабатывает 5,5 тыс. Тонн CO 2 в год. Вся энергия, используемая на станции, поступает из исландской сети, которая вырабатывается за счет геотермальной и гидроэнергии [18]. Как показано на рисунке 2, установка использует электричество для производства H 2 , который вступает в реакцию с CO 2 в каталитической реакции производства метанола.Различные пути и процессы превращения CO 2 в метанол схематически описаны на рисунке 3. Существуют различные пути превращения CO 2 , такие как каталитический метод, который осуществляется в форме обычного, электрокаталитического, фотокаталитического и фотоэлектрокаталитического преобразования [ 19].

Рисунок 1.

Антропогенный углеродный цикл для производства метанола [20].

Рис. 2.

Производство зеленого метанола компанией Carbon Recycling International [18].

Рисунок 3.

Схема процессов химической конверсии СО2.

2. Методы преобразования CO 2 в метанол

2.1. Химическая конверсия

Каталитическое гидрирование CO 2 с H 2 считается наиболее простым способом получения метанола и ДМЭ из CO 2 , как показано в уравнении. (1). В течение 1920-х и 1930-х годов в США работали первые заводы по производству метанола, которые использовали CO 2 и H 2 для производства метанола.Системы как гетерогенных, так и гомогенных катализаторов изучались многими исследователями для процесса гидрирования CO 2 . Однако гетерогенные катализаторы имеют много преимуществ с точки зрения разделения, стабильности, обращения, стоимости и рециркуляции катализатора. Системы гетерогенных и гомогенных катализаторов обсуждаются в следующих разделах [21, 22, 23].

CO2 + 3h3↔Ch4OH + h3O∆h398K = −11,9 ккалмольE1

2.1.1. Гетерогенная каталитическая конверсия

Хотя гомогенный катализ также используется для производства метанола из CO 2 , гетерогенный катализ является предпочтительным выбором для инженеров-химиков из-за преимуществ гетерогенного катализа.Это включает в себя легкое отделение жидкости от твердого катализатора, удобство обращения в различных типах реакторов (то есть с неподвижным, псевдоожиженным или подвижным слоем), а также возможность регенерации использованного катализатора. В последнее время было проведено большое количество экспериментов по разработке стабильных и эффективных гетерогенных катализаторов восстановления CO 2 с получением метанола. Однако многие исследования доказали, что катализаторы на основе меди с различными добавками, такими как ZrO 2 и ZrO, играют важную роль в улучшении стабильности и активности гетерогенного катализатора (рис. 4).Таким образом, некоторые из катализаторов, которые показаны на рисунке 4, уже существуют и используются на демонстрационных и пилотных установках. Некоторые металлы (например, Cu и Zn) и их оксиды были разработаны для использования в качестве эффективных гетерогенных катализаторов для превращения CO 2 в метанол [24, 25]. Этот тип катализатора аналогичен катализаторам на основе Cu / ZnO / Al 2 O 3 , которые используются для производства метанола в промышленности. Однако было доказано, что коммерческий метанольный катализатор, такой как гетерогенная смесь оксида цинка, оксида алюминия и меди (30, 10 и 60% соответственно), производит очень небольшое количество метанола [26].В различных обзорах обсуждались различные факторы, которые могут влиять на производство метанола из синтез-газа, такие как приготовление катализатора, конструкция катализатора, кинетика реакции, конструкция реактора и дезактивация катализатора [22, 27, 28, 29, 30]. Следовательно, будущие исследовательские работы должны быть сосредоточены на производстве метанола из CO 2 и H 2 , в которых количество метанола, полученного таким способом, выше по сравнению с синтез-газом. Чтобы поддерживать высокую производительность установки, катализатор должен оставаться активным в течение нескольких лет.Более того, повышение активности и стабильности катализатора с течением времени очень важно для экономики любого завода по производству метанола [31]. Недавно Lurgi, лидер в области технологий синтеза метанола, сотрудничал с Süd-Chemie, используя высокоактивный катализатор (C79-05-GL, на основе Cu / ZnO) для преобразования CO 2 и H 2 в метанол [24, 32]. Реактор метанола Lurgi представляет собой конвертер на основе трубок, который содержит катализаторы в неподвижных трубках и использует контроль давления пара для достижения реакции с контролируемой температурой.Этот тип реактора позволяет достичь низких коэффициентов рециркуляции и высокого выхода. Поэтому Lurgi была разработана как двухступенчатая конвертерная система, в которой используются два объединенных реактора Lurgi для высоких мощностей по метанолу. Однако объемные скорости и температуры в первом конвертере будут выше, чем в одноступенчатом конвертере, в котором требуется только частичное преобразование синтез-газа в метанол. Это делает конвертер меньше по размеру и производит пар под высоким давлением из-за высоких температур, что помогает снизить затраты на электроэнергию.Газ, выходящий из первого конвертера, содержит метанол, и он будет направлен непосредственно на вторую стадию реакции, которая работает с более низкой скоростью реакции [31]. Даже если рабочая температура системы Lurgi составляет около 260 ° C, что выше, чем температура, используемая для традиционных катализаторов для производства метанола, селективность этой системы по метанолу превосходна. Однако активность этого катализатора снижается с той же скоростью, что и активность коммерческого катализатора, который в настоящее время используется в промышленности для производства метанола.Есть разные компании, продающие высокостабильные катализаторы для производства метанола, такие как Mitsubishi Gas Chemical, Sinetix и Haldor Topsøe. Arena et al. [33] изучили твердофазные взаимодействия, функциональность и центры адсорбции катализаторов Cu – ZnO / ZrO 2 и его способность превращать CO 2 в метанол. Данные характеризации показали, что сильное взаимодействие Cu – ZnO эффективно способствует диспергированию металлической меди и ее реакционной способности по отношению к кислороду. Граница раздела металл / оксид в катализаторах Cu – ZnO / ZrO 2 играет важную роль в гидрировании CO 2 до метанола.Как показано на Рисунке 5, двухцентровая природа реакционного пути объясняет формально нечувствительный к структуре характер конверсии CO 2 на катализаторах Cu – ZnO / ZrO 2 .

Рис. 4.

Подложки и добавки, используемые для катализаторов на основе меди.

Рис. 5.

Гетерогенно-каталитический процесс конверсии CO2 в метанол с использованием Cu / ZrO2 и Cu-ZnO / ZrO2 [33].

2.1.2. Гомогенная каталитическая конверсия
2.1.2.1. Гомогенные катализаторы для CO 2 Гидрирование с получением метанола

Хотя различные гетерогенные катализаторы были испытаны для прямого превращения CO 2 в метанол, в литературе упоминается очень ограниченное количество гомогенных катализаторов.Tominaga et al. [34] сообщили о примере прямого превращения CO 2 в метанол с использованием гомогенных катализаторов. Они исследовали способность предшественника катализатора Ru 3 (CO) 12 в присутствии добавки KI для гидрирования CO 2 образовывать метан, метанол и CO. Кроме того, теми же авторами было доказано, что производительность Ru 3 (CO) 12 –KI для конверсии CO 2 намного лучше, чем у других карбонильных катализаторов переходных металлов, таких как W (CO) 6 ,, Fe 2 (CO) 9 , Ir 4 (CO) 12 , Mo (CO) 6, Co 2 (CO) 8 и Rh 4 (CO) 12 [35].В последнее время для восстановления CO 2 до метанола вместо шестиэлектронного процесса был использован каскадный процесс [36]. Каскадный процесс с использованием гомогенных катализаторов можно разделить на три стадии: гидрирование CO 2 до муравьиной кислоты; затем муравьиная кислота будет этерифицирована с образованием сложных эфиров формиата; и, наконец, сложный эфир формиата будет гидрирован для получения метанола (рис. 6), как указано Хаффом и Сэнфордом [36].

Рис. 6.

Гидрирование CO2 для производства метанола через каскадную систему [36].

На каждой стадии этого подхода будут использоваться разные катализаторы при определенных условиях реакции, которые включают высокую температуру (135 ° C) и давление (40 бар). Wesselbaum et al. [37] сообщили о гидрировании CO 2 60 барами H 2 и 20 барами CO 2 при 140 ° C в присутствии [(трифос) Ru- (TMM)] (TMM = триметиленметан, Трифос = 1,1,1-трис (дифенилфосфинометил) этан), что дает максимальное число оборотов 221. Таким образом, те же авторы доказали, что этот катализатор можно использовать в процессе гидрирования для превращения сложных эфиров формиата в метанол.Помимо прямого превращения CO 2 в метанол, превращение производных CO 2 путем гидрирования, таких как поликарбонаты, карбонаты, формиаты и карбаматы, привлекло огромное внимание из-за малых барьеров этих реакций (рис. 7) [38, 39].

Рис. 7.

Непрямое гидрирование CO2 для производства метанола [39].

2.1.2.2. Гомогенное химическое превращение CO 2 в метанол

Силаны и гидриды являются основными восстановителями, которые должны использоваться при гомогенном химическом восстановлении CO 2 до метанола в присутствии органокатализаторов, таких как N-гетероциклические карбены (NHC).Хотя стоимость силанов высока, было доказано, что NHC-катализатор обладает способностью восстанавливать CO 2 до метоксидов в условиях окружающей среды, как указано Zhang et al. [40]. Как показано на Фигуре 8, производные силанола и метанола будут производиться гидролизом метоксисиланов.

Рис. 8.

Катализируемая NHC конверсия CO2 и последующий гидролиз метанола [40].

Применение фрустрированных пар Льюиса для восстановления CO 2 до метанола считается еще одним примером безметаллового катализа (Рисунок 9) [41].На первом этапе производное форматобората получают посредством реакции между CO 2 и [TMPH] + [HB (C 6 F 5 ) 3 ] - . Координатно ненасыщенный B (C 6 F 5 ) 3 атакует нуклеофильные и промежуточные формы с форматным мостиком.

Рис. 9.

Гидрирование CO2, катализируемое кислотой Льюиса / основанием Льюиса [44].

После этого последний будет реагировать с [TMPH] + [HB (C 6 F 5 ) 3 ] - с образованием ацетального производного формальдегида.Реагент Шварца ((Cp) 2 Zr (H) (CI)) использовали в качестве источника гидрида для двухстадийного восстановления CO 2 до формальдегида и метанола, соответственно, как показано на (Рисунок 10) [42, 43]. На первом этапе превращение CO 2 в формальдегид дает некоторые м-оксокомплексы. Затем более глубокое восстановление формальдегида может быть достигнуто путем добавления большего количества реагента Шварца, что приводит к образованию метоксида циркония на второй стадии.

Рис. 10.

Двухступенчатое восстановление CO2 до метанола с помощью реактива Шварца [44].

2.2. Электрохимическое восстановление CO 2 до метанола

В течение последних десятилетий электрохимическое преобразование CO 2 широко использовалось в лабораторных масштабах, но пока не было успешно использовано в промышленных процессах (крупномасштабных). Метод электрохимического восстановления используется для преобразования CO 2 в ценные химические вещества и топливо, такое как метанол, с использованием электричества в качестве основного источника энергии [45, 46, 47]. Для восстановления CO 2 на металлических электродах было проведено множество экспериментов с различными условиями и электрокатализаторами [48].Различные восстановленные продукты могут быть образованы электрохимически из CO 2 , и некоторые из этих продуктов представлены в таблице 1. Выбор катализатора и условий реакции играет значительную роль по сравнению с возможностью регулирования между различными восстановленными продуктами. Однако все перечисленные стандартные потенциалы в таблице 1 относительно близки к стандартному потенциалу выделения водорода [49]. Реакция выделения водорода (HER) очень важна при восстановлении электрокатализатора CO 2 , в котором H 2 O обычно присутствует в качестве электролита (и источника протонов).По этой причине указанные металлы, которые можно использовать в качестве электрокатализатора для восстановления CO 2 , имеют относительно высокие перенапряжения HER. Необходимо приложить огромные усилия, чтобы найти оптимальный электрод для электрохимического восстановления CO 2 , который снизит селективность CO 2 при низких перенапряжениях и высоких скоростях без одновременного восстановления воды [44].

Реакция полуэлементов E ° по сравнению с SHE
CO2 + 8H ++ 8e- → Ch5 + 2h3O +0.17
CO2 + 6H ++ 6e− → Ch4OH + h3O +0.031
CO2 + 4H ++ 4e− → Ch3O + h3O −0.028
CO2− + 2H ++ 2e → CO + h3O −0,10
CO2 + 2H ++ 2e− → HCOOH −0,11

Таблица 1.

Стандартные потенциалы для восстановления CO 2 [49].

Существует явное преимущество прямого преобразования захваченного CO 2 в метанол для получения полезного продукта, который можно использовать во многих энергоемких устройствах.Этот процесс позволяет рециркулировать захваченный CO 2 и производить метанол, который можно использовать в качестве возобновляемой энергии вместо ископаемого топлива в энергопотребляющих устройствах. Другими словами, с помощью процесса электровосстановления CO 2 может быть восстановлен непосредственно в электролизной ячейке обратно в метанол за один этап. Для получения метанола непосредственно из CO 2 [44] можно использовать различные электроды, как показано в таблице 2. В 1983 году Кэнфилд и Фрезе [50] доказали, что некоторые полупроводники, такие как n -GaAs, p -InP и p -GaAs обладают способностью производить метанол непосредственно из CO 2 , хотя и при чрезвычайно низких плотностях тока и фарадеевской эффективности (FE).Многие другие исследователи приложили некоторые усилия для увеличения как плотности тока, так и фарадеевской эффективности процесса. Seshadri et al. [51] обнаружили, что ион пиридиния является новым гомогенным электрокатализатором для восстановления CO 2 до метанола с низким перенапряжением. В последнее время широко исследуется пиридин, в котором он используется в качестве сокатализатора для образования активных частиц пиридиния in situ [52, 53, 54, 55, 56]. Обычно продукты одноэлектронного восстановления CO 2 показывают более низкую плотность тока, чем продукты двухэлектронного восстановления, такие как CO.Прямое электрохимическое восстановление CO 2 до метанола является многообещающим процессом для уменьшения количества захваченного CO 2 .

Электролитический КПД (%) 9027 9027 оксид Cu 9027 ] −0278
Электрод Тип электрода E по сравнению с NHE (В) Плотность тока (мА см −2 ) Фарадейский КПД Ссылка
p -InP Semiconductor -1.06 0,06 0,8 Сб. Na 2 SO 4 [50]
n-GaAs 0,16 1,0
p -GaAs 0,08 −1,3 6,9 28 0,5 M KHCO 3 [59]
RuO 2 / TiO 2 Нанотрубки −0.6 1 60 0,5 M NaHCO 3 [58]
Pt – Ru / C Сплав −0,06 0,4 7,5 ячейка
n -GaP Гомогенный катализатор −0,06 0,27 90 10 мМ пиридина при pH = 5,2 [61]
0,027 Pd 30 0.5 M NaClO4 с пиридином [51]

Таблица 2.

CO 2 электрохимическое восстановление до метанола.

Popić et al. [57] доказали, что Ru и Ru, модифицированные адатомами Cd и Cu, могут использоваться в качестве электрода для восстановления CO 2 при относительно небольших перенапряжениях. Полученные результаты показали, что на поверхности чистого Ru, Ru, модифицированного адатомами Cu и Cd, и RuOx + IrOx, модифицированного адатомами Cu и Cd, достигнуто восстановление CO 2 с образованием метанола за 8 ч выдержки потенциала при -0.8 В. Следовательно, при восстановлении CO 2 на Ru, модифицированном адатомами Cu и Cd, образование метанола зависело от наличия адатомов на поверхности рутения. RuO 2 является перспективным материалом для использования в качестве электрода для восстановления CO 2 до метанола благодаря его высокой электрохимической стабильности и электропроводности. По этой причине Qu et al. [58] приготовили наночастицы (НЧ) и нанотрубки (НТ) RuO 2 / TiO 2 композитных электродов путем нанесения RuO 2 на наночастицы и нанотрубки TiO 2 соответственно.Полученные результаты показали, что эффективность по току получения метанола из CO 2 достигает 60,5% на платиновом электроде, модифицированном RuO 2 / TiO 2 НТ. Таким образом, композитные электроды НЧ RuO 2 и RuO 2 / TiO 2 показали меньшую электрокаталитическую активность, чем композитный модифицированный Pt электрод RuO 2 / TiO 2 НТ для электрохимического восстановления CO 2 до метанола. Как показали исследования, для повышения селективности и эффективности процесса электрохимического восстановления CO 2 в качестве электрода предлагается использовать структуру нанотрубок.

2.3. Фотохимическое восстановление CO 2 в метанол

Обычно фотохимический (или фотокаталитический) метод преобразования CO 2 используется для преобразования захваченного CO 2 в метанол и другие ценные продукты с использованием солнечной энергии, такой как свет или лазер [ 62, 63]. Даже если селективность по метанолу относительно низка, прямое преобразование CO 2 в метанол с использованием фотокаталитического метода было изучено [64]. Однако в последнее время этому методу уделяется большое внимание, и он считается наиболее привлекательным методом утилизации CO 2 .Фотокаталитический процесс конверсии CO 2 представляет собой сложную комбинацию фотофизических и фотохимических процессов вместе [62]. Следовательно, этот метод имеет некоторое сходство с электрокаталитическим восстановлением CO 2 , в котором в обоих случаях используются молекулярные катализаторы. Источники жертвенного гидрида считаются основным ограничением для восстановления CO 2 фотокаталитическим методом. Аскорбиновая кислота, амин и 1-бензил-1,4-дигидроникотинамид являются примерами жертвенного источника гидрида, который необходимо добавлять в раствор для замены анода, который будет использоваться в процессе электрокаталитического восстановления CO 2 [65] .Было проведено несколько экспериментов для проверки способности некоторых полупроводников и оксидов металлов преобразовывать СО2 в метанол. Сюда входят карбид кремния [66], TiO 2 [67, 68, 69, 70], WO 3 [71], NiO [70], ZnO [70] и InTaO 4 [72] либо сами по себе или их можно комбинировать с различными гетерогенными катализаторами для достижения той же цели. Основная проблема при производстве метанола на полупроводниках с использованием солнечной энергии заключается в том, что реакция образования обратима.Таким образом, чтобы уменьшить окисление метанола, очень важно найти новые стратегии для достижения практического промышленного процесса [66, 70].

Gondal et al. [66] доказали, что гранулированный карбид кремния является многообещающим фотокатализатором для восстановления CO 2 до метанола. Гранулированный карбид кремния (α6H-SiC) был испытан в качестве фотокатализатора для восстановления CO 2 и преобразования его в метанол с помощью лазера с длиной волны 355 нм. Реакционная ячейка была заполнена гранулами α6H-SiC, сжатым газом CO 2 под давлением 50 psi и дистиллированной водой.Поэтому они упомянули, что в фотохимическом процессе существует пара конкурирующих реакций, а именно фотоокисление и фото восстановления, как показано на рисунке 11. Когда реакция начинается, скорости фотоокисления (Ко) будут ниже, чем скорости фото восстановления. (Kr) из-за низкой концентрации производимого метанола. Полученные результаты показали, что максимальная молярная концентрация метанола и достигнутые фотонные эффективности преобразования CO 2 в метанол составляли около 1.25 ммоль / л и 1,95% соответственно.

Рис. 11.

Схематическое изображение реакций фотовосстановления и фотоокисления в фотохимическом процессе [67].

CdS / TiO 2 и Bi 2 S 3 / TiO 2 Фотокатализаторы на основе нанотрубок были протестированы Li et al. [67], и их фотокаталитическая активность, которая восстанавливает CO 2 до метанола при облучении видимым светом. Полученные результаты доказали, что синтетические тротилы являются практически хорошим материалом для фотовосстановления при превращении CO 2 в метанол.Наибольшее образование метанола на фотокатализаторах ТНТ – CdS и ТНТ – Bi 2 S 3 при облучении видимым светом в течение 5 ч составило 159,5 и 224,6 мкмоль / л соответственно. Луо и др. [68] изучали способность Nd / TiO 2 , синтезированного золь-гель методом, восстанавливать CO 2 в метанол в водном растворе при УФ-облучении. Эксперимент показал, что максимальный выход метанола при УФ-облучении в течение 8 часов составил 184,8 мкмоль / г, что доказывает, что Nd / TiO 2 может повысить эффективность фотокаталитического восстановления CO 2 по сравнению с чистым оксидом титана.

2.4. Фотоэлектрохимическое восстановление CO 2 до метанола

Процесс фотоэлектрокаталитического восстановления CO 2 представляет собой комбинацию фотокаталитического и электрокаталитического методов. Многие исследовательские работы были направлены на поиск лучшего полупроводникового материала, который можно было бы использовать в качестве фотоэлектрода для преобразования CO 2 в метанол с использованием любой солнечной энергии в ячейке PEC; однако ни один из протестированных полупроводников не соответствовал желаемой стабильности и эффективности [73].Фактически, для фотоэлектрохимического восстановления CO 2 требуется около 1,5 эВ подвода термодинамической энергии. Следовательно, элемент PEC требует больших затрат энергии для компенсации потерь, вызванных изгибом зон (который необходим для разделения заряда на поверхности полупроводника), потенциалами перенапряжения и потерями сопротивления [61, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81]. Первым важным этапом восстановления CO 2 до метанола фотоэлектрохимическим (PEC) методом является генерация ионов водорода и электронов солнечным излучением полупроводника, который используется в качестве фотокатода.Полупроводник (например, GaP, SiC) освещается светом как источником энергии, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника. В этом случае электроны в полупроводнике будут возбуждены и перенесены в зону проводимости из зоны валанса, и они достигнут катодного противоэлектрода через внешний электрический провод. Кроме того, для проведения реакций электрохимического восстановления и окисления созданные электронно-дырочные пары на границе раздела или рядом с ним будут разделены полупроводником и впрыснуты в электролит [82, 83, 84].Основной проблемой при использовании фотоэлектрохимических ячеек является способность полупроводниковых материалов n-типа генерировать дырки на поверхности, которые могут окислять сам полупроводник [85]. В последнее время огромное внимание привлекла гибридная система, состоящая из полупроводникового светоуборочного комбайна и комплекса металлических сокатализаторов. В этой системе вода считается основным источником доноров электронов и протонов для восстановления CO 2 на поверхности катода. Пример гибридной системы обсуждался Zhao et al.[86]. Они исследовали полную ячейку фотокатода с InP / Ru-комплексами, которая была соединена с фотоанодом на основе TiO2 / Pt, как показано на Рисунке 12. В этой полной ячейке, чтобы избежать повторного окисления формиата на поверхности фотоанода, в качестве сепаратора использовалась протонообменная мембрана. Однако Arai et al. сконструировал беспроводную полную ячейку для фотоэлектрохимического восстановления CO 2 , в которой система состоит из InP / Ru-комплекса в качестве гибридного фотокатода и фотоанода SrTiO 3 (Рисунок 13).В этой системе окислительно-восстановительные реакции CO 2 и H 2 O будут происходить под воздействием солнечного излучения без какого-либо смещения. Полученные результаты показали, что эффективность преобразования солнечной энергии в химическую в этих двух полных ячейках составила 0,03% и 0,14% для TiO2 – InP / [RuCP] и SrTiO3 – InP / [RuCP] соответственно. Barton et al. [61] успешно восстановили CO 2 до метанола с помощью катализированного фотоэлектрохимического элемента (PEC) на основе p-GaP в процессе, называемом химическим уменьшением выбросов углерода.Термин «уменьшение химического углерода» описывает фотоиндуцированное преобразование CO 2 в метанол без использования дополнительного источника энергии, генерирующего CO 2 . Полученные результаты показали, что селективность метанола и конверсия CO 2 составили 100 и 95% соответственно.

Рис. 12.

Двухкамерный фотоэлектрохимический элемент для восстановления CO2 [87].

Рис. 13.

Однокамерный фотоэлектрохимический элемент для восстановления CO2 [87].

3. Перспективы на будущее и выводы

Конверсия двуокиси углерода представляет собой как возможность, так и проблему во всем мире для обеспечения устойчивости окружающей среды и энергетики. Основные стратегии сокращения выбросов CO 2 должны быть сосредоточены на использовании CO 2 , рециркуляции CO 2 в сочетании с возобновляемой энергией для экономии источников углерода, а также на производстве полезных химикатов из CO 2 . Следовательно, преобразование CO 2 в энергетический продукт, такой как метанол, потребует большого количества захваченного CO 2 , в котором рынок метанола потенциально может быть значительным.Кроме того, образующийся метанол можно использовать вместо ископаемого топлива, тем самым снижая зависимость от ископаемого топлива и способствуя росту использования CO 2 на рынке. Здесь представлена ​​полная литература по различным методам преобразования CO 2 в метанол. Это включает гомогенное / гетерогенное каталитическое, электрохимическое, фотохимическое и фотоэлектрохимическое восстановление. Однако высокая эффективность процесса конверсии CO 2 может быть достигнута при использовании эффективного катализатора.В общем, разработка необходимого катализатора может быть использована в качестве решения, если катализатор уже используется, но требуется высокая стоимость для увеличения масштаба, или он не существует и ожидает открытия, поэтому проблемы в каталитических процессах действительно огромны. Низкая селективность по продукту и низкие / высокие температуры реакции считаются основными препятствиями в гетерогенном процессе восстановления CO 2 . Однако приведенное выше обсуждение показывает, что среди различных методов, предлагаемых для преобразования CO 2 в метанол или в любое ценное химическое вещество, электрохимические ячейки являются предпочтительными по сравнению с другими методами.Тем не менее, при электрохимическом восстановлении CO 2 все еще существует множество барьеров, при котором электрокатализатор необходимо использовать с более высокой селективностью, а также с более низкими перенапряжениями. Различные гетерогенные электрокатализаторы являются селективными, быстрыми и энергоэффективными, но они считаются нестабильными катализаторами. Следовательно, в будущем электроэнергия, необходимая для электрохимического процесса восстановления CO 2 в больших масштабах, может поступать из различных возобновляемых источников энергии, таких как гидроэнергетика, ветер, волны, геотермальные источники, приливы и т. Д.В этом смысле многие исследовательские работы должны быть сосредоточены на новых электрокаталитических материалах, которые можно использовать для работы при более высоких плотностях тока без потери фарадеевской эффективности. С другой стороны, фотохимические процессы предлагают привлекательный подход к восстановлению CO 2 до метанола с использованием солнечной энергии. Однако этот метод не получил широкого распространения из-за критических условий для поглощения необходимого количества солнечной энергии. В противном случае перспективы разработки успешных технологий для эффективного преобразования CO 2 с использованием солнечной энергии, безусловно, являются долгосрочными (> 5 лет).Тем не менее, процессы фотоэлектрохимического восстановления оказались привлекательными подходами для восстановления CO 2 до метанола. В настоящее время применение солнечных фотоэлектрохимических устройств очень ограничено из-за их высокой стоимости и нескольких причин, как обсуждалось выше. Однако очень важно продолжать исследования в этих областях, потому что эта технология будет крайне необходима для эффективного сокращения выбросов CO 2 в ближайшие годы.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Центру перспективных материалов Катарского университета (QU) за поддержку этой работы.Г-жа Саджеда Альсайде также благодарит QU за предоставленную ей стипендию для выпускников.

.

Смотрите также