使用纳米金刚石将温室气体转化为工业原料

CO2不仅不会被释放到大气中并加剧气候变化问题，还可以用作工业过程中所需物质(如甲酸或甲醇)的原料。CO2的转化已经在实验室研究中得到了详细研究，纳米金刚石作为一种环境友好的光催化剂。弗劳恩霍夫微工程和微系统研究所IMM的研究人员现在正在与合作伙伴合作，将这种反应转化为一个连续的过程——使其更接近实际应用。

鉴于CO2对气候造成的破坏，政府和公司正在努力尽可能地限制其排放量。然而，在无法避免的情况下，CO2可能很快被用作生产工业相关C1结构单元(例如甲酸或甲醇，它们仅包含一个碳原子)的原料。

一种可能的方法涉及纳米金刚石：通过使用纳米金刚石作为催化剂并在水性环境中用短波UV-C光照射它们，将CO2转化为甲酸。这种方法目前正在维尔茨堡大学的AnkeKrüger教授的实验室进行研究(尽管Krüger教授现在在斯图加特大学工作)。

使用钻石作为催化剂可能听起来很昂贵，但在这个过程中使用的钻石并不是昂贵的珠宝级钻石;它是一种以工业规模生产的爆轰金刚石，因此作为催化剂相对便宜。此外，它主要由碳组成，因此是一种环境友好的“绿色”催化剂。

FraunhoferIMM的研究人员与Krüger教授和SahlmannPhotochemicalSolutionsGmbH一起，现在正在CarbonCat项目的框架内使这些反应更接近实际应用。“到目前为止，实验都是在间歇式反应器中进行的;即搅拌烧瓶。这种方法存在某些缺点，”弗劳恩霍夫IMM的一位科学家ThomasRehm博士说。“首先，气相和液相与催化剂之间的接触不太理想;其次，催化剂——即漂浮在周围的纳米粒子——需要在反应后与溶液分离。”

大面积金刚石触媒

因此，研究团队想出了一种将催化剂应用于大面积区域的方法——具体来说，是尺寸约为5x9厘米的反应板。Rehm解释说：“我们目前使用的分批工艺包括将所有成分放入烧瓶中，等待反应结束，但我们希望实现连续操作。”

为此，研究人员开发了一种带有直立反应板的微反应器，该反应板具有涂有金刚石催化剂的微通道。在板的顶部是一个狭缝，水不断地被泵入其中。然后液体沿着板流下。毛细管力导致形成厚度为10至50微米的液膜，它不断地覆盖在微通道上。CO2以逆流配置从下方引导到反应板上。

“通过这种方式，我们可以在更小体积的溶液中将更多的二氧化碳直接施加到催化剂膜上。这改善了气-液-固接触，从而提高了CO2转化率，从而提高了产量甲酸，”雷姆说。

带有微通道的金刚石涂层反应板作为连续运行的流通式反应器的关键元件，可将CO2转化为C1结构单元。图片来源：弗劳恩霍夫IMM

可见光代替紫外线

此外，研究人员不再像纳米级催化剂那样使用能量密集型UV-C光，而是使用更便宜且更易于处理的可见光。这需要对金刚石表面进行修改，因为它需要捕获可见光，但仍会触发与纳米级金刚石相同的反应。

为此，研究人员将金属络合物(具有金属中心的有机化合物，能够捕获可见光)化学结合到钻石表面。然而，这些复合物并未覆盖整个表面，这意味着液体和二氧化碳仍会与金刚石层接触。当可见光照射在改性涂层上时，一些电子从金刚石晶格中被提升到金刚石层的表面上。然后将它们转移到CO2中，以便与水结合形成甲酸。

“我们这里有一个光能电子泵，”Rehm证实。为了提供更多的电子，该团队可以在钻石表面施加低电压。

一些里程碑——大面积催化剂和可见光的使用——已经实现。研究团队仍在努力的一个方面是接触时间短：CO2、水和金刚石层目前只有10到15秒的反应时间——不足以产生现实世界所需的甲酸量应用程序。研究人员正在寻找两种解决方案：更高效的金属络合物以提高反应速度，以及调整反应器以实现更长的接触时间。

光化学与生物催化的结合

在一个单独的项目中，一个由来自四个不同弗劳恩霍夫研究所的成员组成的团队正在进一步推进光在化学中的应用。该项目将光化学催化与生物催化相结合——即生物酶作为催化剂的反应——从而将两个非常温和的过程结合在一起。目的是生产具有高对映体纯度的精细化学品，以满足制药或农用化学品等应用的要求。

在这里，研究团队利用了级联反应，通过结合两种催化方法使其成为可能。该联盟希望在未来实现复杂分子合成的高度协同。

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