CN106890565B - 一种二氧化碳转化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二氧化碳转化的方法，该方法采用液相等离子体催化二氧化碳转化成有机产物。其反应过程如下：将Bi，Y掺杂的TiO2作为催化剂加入液相等离子体反应器，同时加入100mL去离子水为反应液，调节针‑板电极间距，通入CO2，室温下接通高压电源反应2～12min，得到的产物主要有CH4、CH3OH及HCOOH。本发明的优点是：工艺简单，转化率高，过程绿色化，可将温室气二氧化碳转换成有用的化工产品。

Description

一种二氧化碳转化的方法
技术领域
本发明属于二氧化碳综合利用领域，具体为液相等离子体催化二氧化碳转化的方法。
技术背景
随着工业社会的发展，矿物燃料的燃烧、森林的砍伐及其它天然与人为活动大气中的CO2浓度的不断升高，全球气温变暖，导致灾害性天气逐年增加。为减少CO2的排放，从根源上将其控制与利用，二氧化碳的转化是最佳的选择。现如今CO2转化方法很多，如光催化还原法、电化学还原法、光电化学还原法、生物还原法等，但仍面临转化率低的问题。等离子体作为一种新技术应用于CO2转化，能有效针对所面临转化率低的问题。
等离子体催化活化CO2还原技术就是CO2在高压交流电条件下与高能电子发生电离、解离，产生大量高活性中间产物，同时在等离子作用下催化剂得到活化，被活化的催化剂降低反应物及被等离子体活化后生成的反应性中间物种的表观活化能，进行定向复合生成产物，如甲烷、乙炔等。相对于其他CO2处理技术，等离子体催化活化CO2转化技术明具有工艺简单，转化率高，过程绿色化等优点。强大的活化性能及高转化率近来受到学术界的普遍关注，逐渐成为研究的热点，同时产物的多样性也使得等离子转化技术倍受青睐。如Finlayson和Geoffrey在室温下通过交流电场产生的无声放电作用CO2/CH4能够很容易地制得醛类有机化合物；产物中包括甲醛和乙醛(US Patent，1935，NO.1，968，885)。Ihara等人在石英管中用等离子体作用CO2-H2O反应，甲醇浓度接近0.01％(Bull.Chem.Soc.Jpn.，1994，67(1)：312-314；Bull.Chem.Soc.Jpn.1996，69(1)：241-244)。Seizo等人利用直流辉光等离子体研究了纯CO2和CO2-H2体系的转化，实验结果显示纯CO2能够以较高的效率转化为CO，CO2+H2混合物被转化为较高产率的CH4、CH3OH等类燃物种(Microsc.Thermophys.Eng.，1997，1(3)：245-251)。
发明内容
本发明的目的是在液相通过高压电活化CO2，并在Y、Bi一种或两种元素掺杂TiO2催化剂的作用下，解决CO2难转化的问题，提供一种转化CO2的方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种二氧化碳转化的方法，以CO2为原料，以Y、Bi一种或两种元素掺杂的TiO2为催化剂，通过液相等离子活化CO2并将其还原成CH4、CH3OH及HCOOH。操作步骤如下：
按0.5～10g/L的用量将Y、Bi一种或两种元素掺杂的TiO2催化剂转入自组装的等离子反应器(如附图1所示)中，同时加入100mL去离子水作为反应液，等离子反应器针-板电极间距在1～5cm间调整，以10～500mL/min气体流速通入二氧化碳，在10～18kV电压间分别反应2～12min，得到二氧化碳转化产物。
在上述二氧化碳转化的方法中，Bi的摩尔量优选为Ti的摩尔量的1％，Y的摩尔量优选为Ti的摩尔量的0.5％。
在上述二氧化碳转化的方法中，Y、Bi共掺杂TiO2光催化剂的用量优选为2.0g/L。
在上述二氧化碳转化的方法中，二氧化碳的流速优选为450mL/min。
在上述二氧化碳转化的方法中，等离子体放电电压优选为16kV。
在上述二氧化碳转化的方法中，等离子反应器的针-板电极间距优选为4.5cm。
在上述二氧化碳转化的方法中，反应时间优选为10min。
液相等离子体反应装置如图1所示，其中1为高压直流电源，2为二氧化碳流量计，3为针电极，4为液相等离子体反应器，5为板电极。
本发明与现有的技术相比，具有以下优点：
1.在液相中使用等离子体技术，活化CO2气体与电离水同时进行，提高了CO2转化的效率。
2.本发明工艺简单，操作简便，过程环保。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但需要说明的是本发明的应用范围并不局限于这些实施例。
实施例1
按2g/L的用量将0.5％Y、1％Bi共掺杂的TiO2催化剂转入自组装的等离子反应器中，同时加入100mL去离子水作为反应液，等离子反应器针-板电极间距调整为4.5cm，以450mL/min气体流速通入二氧化碳，在16kV电压间反应10min，得到二氧化碳转化产物CH4为196.64μmol/g-cat，CH3OH为274.67μmol/g-cat，HCOOH为529.33μmol/g-cat。
实施例2
按0.5g/L的用量将1％Bi掺杂的TiO2催化剂转入自组装的等离子反应器中，同时加入100mL去离子水作为反应液，等离子反应器针-板电极间距调整为3cm，以50mL/min气体流速通入二氧化碳，在10kV电压间反应2min，得到二氧化碳转化产物CH4为40.18μmol/g-cat，CH3OH为84.57μmol/g-cat，HCOOH为131.33μmol/g-cat。
实施例3
按5g/L的用量将0.5％Y、0.2％Bi共掺杂的TiO2催化剂转入自组装的等离子反应器中，同时加入100mL去离子水作为反应液，等离子反应器针-板电极间距调整为1cm，以300mL/min气体流速通入二氧化碳，在14kV电压间反应12min，得到二氧化碳转化产物CH4为60.81μmol/g-cat，CH3OH为98.67μmol/g-cat，HCOOH为201.39μmol/g-cat。
实施例4
按1g/L的用量将1.2％Y掺杂的TiO2催化剂转入自组装的等离子反应器中，同时加入100mL去离子水作为反应液，等离子反应器针-板电极间距调整为2cm，以100mL/min气体流速通入二氧化碳，在18kV电压间反应6min，得到二氧化碳转化产物CH4为70.42μmol/g-cat，CH3OH为156.07μmol/g-cat，HCOOH为307.22μmol/g-cat。

Claims (7)

1.一种二氧化碳转化的方法，其特征在于：以CO2为原料，以Y、Bi一种或两种元素掺杂的TiO2为催化剂，采用液相等离子体催化CO2转化，操作步骤如下：
在针-板电极间距为1～5cm、等离子体放电电压为10～18kV的液相等离子体催化装置中，加入100mL水，按0.5～10g/L的用量加入掺杂量为0.2％～1.5％的Y、Bi一种或两种元素掺杂的TiO2催化剂，在底部针电极以10～500mL/min的流速通入CO2，进行等离子体放电反应2～12min，得到二氧化碳还原产物为CH4、CH3OH及HCOOH。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳转化的方法，其特征在于Bi的摩尔量为Ti的摩尔量的1％，Y的摩尔量为Ti的摩尔量的0.5％。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳转化的方法，其特征在于Y、Bi共掺杂TiO2催化剂的用量为2.0g/L。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳转化的方法，其特征在于二氧化碳的流速为450mL/min。
5.根据权利要求1所述的一种二氧化碳转化的方法，其特征在于等离子体放电电压为16kV。
6.根据权利要求1所述的一种二氧化碳转化的方法，其特征在于等离子反应器的针-板电极间距为4.5cm。
7.根据权利要求1所述的一种二氧化碳转化的方法，其特征在于反应时间为10min。
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