A fotocatálise em escala industrial verá a luz do dia

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A fotocatálise em escala industrial verá a luz do dia?
Explorando como os cientistas podem desenvolver reações eficientes e movidas a energia solar para
converter dióxido de carbono em matéria útil de matéria-prima química.
Isso pode parecer uma pergunta estranha para perguntar quando a pesquisa e o desenvolvimento no
campo da fase gasosa de CO 2 e H2 O Católise movida a energia solar (ou fotocatálise) para fazer
produtos químicos solares e combustíveis estão florescendo. A luz como fonte de energia para conduzir
a catálise heterogênea é atraente, pois contorna a necessidade de energia elétrica ou térmica para
alimentar esses processos.
Neste contexto, os dez principais produtos químicos e combustíveis de produtos químicos de base de
CO 2 são vistos na figura abaixo. O gargalo em seu desenvolvimento como tecnologias industrialmente
aplicáveis é a sua eficiência energética solar-química.
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Top 10 blocos de construção orgânicos de CO 2
direcionados para as indústrias químicas e
petroquímicas sustentáveis. Crédito da imagem:
Geoffrey Ozin
Mais especificamente, este é um desafio de absorção de fótons e utilização química que se resume a
uma tarefa de engenharia de fotocatistas e fotorreatores de alta eficiência. No estado atual de
desenvolvimento, isso está além de uma missão de descoberta de materiais como fotocatatalys muito
ativos para converter CO 2 e H2 O para produtos químicos solares e combustíveis agora abundam na
literatura.
Para expandir, enquanto a engenharia de materiais e reatores de processos termocatalíticos
heterogêneos em larga escala – onde heterogêneos se refere a um catalisador de estado sólido que
permite uma reação de fase de gás ou líquido – representam uma tecnologia conhecida por fazer mais
de 90% de nossos produtos químicos e combustíveis na escala de milhões de toneladas, a melhor forma
de projetar um análogo fotocatalítico permanece desconhecida.
Sabemos como aquecer toneladas de um catalisador heterogêneo de estado sólido em pele ou
granulado para conduzir eficientemente uma reação termoquímica no estado de menor energia
(eletrônica subterrânea). Mas a forma de iluminar eficientemente toneladas de fotocatalisador com luz
solar para conduzir uma reação fotoquímica em um estado de maior energia (eletrônico) de maior
energia (toctónica) ainda não foi demonstrado.
Como são projetados os melhores fotocatistas?
Em termos simples, projetar um processo fotocatalítico de alta eficiência é uma tarefa de rendimento
quântico (QY) e transporte de luz ( LT) (definida abaixo), em que a integração do fotocatatasst e do
fotoreactor deve, em conjunto, funcionar como uma “esponja de fóton”. Esta construção é uma estrutura
hierárquica de reflexão de luz interna e multiescala que permite a penetração do fluxo de fótons
incidentes dentro, fornecendo acesso espacial a cada local fotoativo.
http://www.solarfuels.utoronto.ca/
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O principal objetivo da esponja de fótons é gerar elétrons e furos que podem transformar reagentes
gasosos, CO2 e H2 O ou H 22, para um produto químico solar ou combustível na maior eficiência
fotocatalítica possível.
Para aumentar a eficiência do fotocatályst, o rendimento quântico:
QY ? Número de moléculas de produto / número de fótons absorvidos
deve ser muito melhorado, especialmente na faixa visível do espectro solar.
Para aumentar a eficiência do processo global, são necessários grandes progressos para aumentar a
eficiência do transporte de radiação:
LT LT- número de fótons absorvidos / números de fótons disponíveis.
Atualmente, uma literatura volumosa sobre fotocatálise de CO 2 mostra que esses alvos de eficiência
são menos de 1% de conversão de fótons incidentes em moléculas de produto e ambos precisam ser
melhorados por pelo menos uma ordem de magnitude para maximizar a eficiência fotocatalítica do
processo representado pelo produto do produto de rendimento quântico e eficiência de transporte de
radiação:
? PCPR ? ? QY ? LT
Ao enfrentar o desafio de transformar uma curiosidade científica em um campo nascente para uma
tecnologia de fotocatálise CO 2 e H2 O, a visão de produtos químicos solares e combustíveis será
transformada em realidade.
Para ampliar os desafios, o primeiro problema é o rendimento quântico, ou seja, como efetivamente
projetar e usar o fotocatalisador. Idealmente, visava-se a cada fóton incidente atingindo e ativando todos
os locais catalíticos com intensidade e temperatura uniformes para garantir taxas máximas de reação e
seletividade do produto. A necessidade de absorção de luz por um fotocatalisador heterogêneo, no
entanto, limita a profundidade de penetração do fóton no volume do catalisador. Isso cria intensidade de
luz e gradientes térmicos devido a pontos de acessos localizados aleatoriamente no pellet ou granulado
catalisador, impedindo assim a obtenção de condições operacionais de alta eficiência de absorção
óptica.
No contexto do material, como os portadores de carga gerados por foto separam, migram, recombinam e
reagem com a matéria-prima de CO 2 em regiões superficiais e a granel do fotocatalisador, em última
análise, ditam o rendimento quântico atingível. O objetivo é projetar a estrutura de um catalisador
heterogêneo de estado sólido sobre dimensões nano- para mim e macroscópicas para superar todos
esses obstáculos.
O segundo problema é a eficiência de transporte leve ou como projetar a integração do fotocatálisto e do
fotorreator para maximizar a captura da irradiação solar incidente, minimizando a absorção, a reflexão, a
dispersão, a transmissão e as perdas térmicas condutivas, convectivas e radiativas.
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O júri ainda está fora da máxima eficiência fotocatalítica alcançável, (PC PR - QY - LT) para fotocatálise
CO 2 e H 2 O, mas com materiais de última geração, química, elétrica e engenharia óptica, é imaginado
que a fotocatálise CO 2 e H 2 de energia solar acabará por ver a luz do dia.
No próximo ano, esperançosamente, será um concorrente formidável com tecnologias alternativas de
utilização de CO 2 que dependem da energia fóssil e da rede. Uma vez que a alta eficiência do processo
fotocatalítico pode ser alcançada, o campo da fotocatálise heterogênea da fase gasosa é previsto para
expandir rapidamente além da utilidade de CO 2 e H2 O como matéria-prima e abrangerá uma série de
outros processos químicos industriais industriais de energia em grande escala e gases de efeito estufa
com base em H 2 O, CH 4 e N 22.
Escrito por: Geoffrey Ozin 1 e Paul Kant 2
1 Grupo de Combustíveis Solares, Universidade de Toronto, Ontário, Canadá, g.ozin-utoronto.ca ;
Website: www.solarfuels.utor o nto.ca, www.artnanoinnovations.com
22 Instituto de Engenharia de Microprocessos, Instituto de Tecnologia de Karlsruhe.
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