הבנת תהליכים קטליטיים

שיתוק מסתמך על כ-90% מתהליכי ייצור כימיים והוא בלתי נפרד ממימון, ייצור דשן, וההמרות באנרגיה. זרז פועל על ידי הורדת אנרגיית ההפעלה של תגובה כימית, ומאפשר לו להתקדם מהר יותר או בטמפרטורות נמוכות יותר מבלי להיות מצופה.יכולות זו מתורגמת ישירות להורדת הביקוש לאנרגיה הידרוגרפית ו, כאשר היא מוחלת על מנת להפחית את פליטת גזי החממה ה-ה בעלת ערך, לדוגמה, ה-ה-Bosch עבור תהליך האנליטיקת דלק יעילה לדלקת פחמן.

אתגרים נוכחיים

למרות תפקידם המרכזי, תהליכים קטליטיים עומדים בפני כמה מכשולים המגדירים את תרומתם לדה-קרביזציה תעשייתית:

  • (FLT:0) עלויות זרז גבוהות של זרז 1 (FLT:1) - זרזים יעילים רבים מסתמכים על מתכות יקרות כגון פלטינה, שיתוק, rhodium, ו-iridium. חומרים אלה הם נדירים, מרוכזים מבחינה גיאופוליטית, וכפוף תנודתיות מחירים, מה שהופך פריסה בקנה מידה גדול יקר. לדוגמה, מתכות קבוצתיות לבד יכול לקחת בחשבון מעל 30% מהה ב אלקטרו- proton-retronem אלקטרו-surretrangine.
  • (FLT:0) זרז החיים אורך החיים של זרז 1 - Catalysts deactivate לאורך זמן בשל חטא, הרעלה (למשל, sulfur או תרכובות chlorine), coking, או השפלה מכנית. התחדשות Frequent או עלייה חלופית עלויות תפעול ומייצרת פסולת.
  • (FLT:0) דיפרנסיי בסקאלה טכנולוגיות חדשות של אנדרט 1:1 - פריצות דרך מעבדה לעתים קרובות לא מתרגמות לתהליכים תעשייתיים.אתגרים כוללים מגבלות של חום ועברה המונית, מורכבות עיצוב כור, ואת הצורך פעולה רציפה תחת משככי ריאליסטיים.המסע מהפגנת ספסל בקנה מידה למפעל מסחרי יכול לקחת 10–20 שנים.
  • (FLT:0) מניטור על ידי מוצרים ופסולת FIRLT:1) - תגובות קטליטיות רבות לייצר מוצרים צד בלתי רצוי הדורשים הפרדה וסילוק.לדוגמה, ייצור חומצה פולית, מבשר ל ניילון, יוצר תחמוצת ניטרגיה ניטרית (N2O), גז חממה חזק.

התמודדות עם אתגרים אלה דורשת מחקר בין-תחומי המשלב חומרים מדע, הנדסה כימית, וחיזוק תהליכים.

חידושים עתידיים ב- Catalytic Technologies

זרזי הדור הבא מתוכננים מהרמה האטומית למעלה.אזורים מרכזיים של חדשנות כוללים nanomaterials, מבנים בהשראת ביולוגית, זרזי atom יחיד, עקרונות כימיה ירוקה ושילוב עם אנרגיה מתחדשת.

ננוקטאליס

ננוקטאליסיסטים מנצלים את היחס הגבוה למשטח-כולה ונכסים אלקטרוניים ייחודיים של חלקיקים.לדוגמה, ננו-חלקיקי פלטינה הנתמכים על פני פחמן מפגינים פעילות גבוהה באופן דרמטי להפחתה בתאים מאשר במרבית הפלטינה, החוקרים הם כעת חלקיקים בעלי צורה הנדסית - חלקיקים נשלטים - פחמימות, דאגה, ננודדים - כדי לחשוף פנים ספציפיות כי ממקסמות פעילות קטליטית-עשרת, כאשר הם יכולים להפחית את האינטראקציות מתכת יקרות (אך) עם לחץ מתכת.

Bio-Inspired Catalysts

הטבע מציע פתרונות אלגנטיים לתגובות קשות. Enzymes כמו חנקן אטמוספירי לדלקת ריאות בתנאים מסובכים, בעוד photosystem II פיצול מים באמצעות מתכות בשפע. bio-inspired זרז, כגון אשכולות ברזל-סרפור ותרכובות פחמן-גנטיות-מגנטיות-מגנטיות-מנג'יקט, אך עדיין משתפר, זרזים אלה מחזיקים לחשיפה בת קיימא ללא מתכות כימיות נדירות, יכולים ליצור רכיבים פחמן-חמצני.

ספורטאי יחיד

זרז חד-אטומי (SACs) מייצג את הגבול האולטימטיבי בפיזור מתכת - כל אטום הוא אתר פעיל.מתמוך על תת-קרקעי כמו פחמן או ceria, אטומי מתכת מבודדים (Fe, Co, Ni, Pt) מציג מבנים אלקטרוניים ייחודיים ובחירתיות גבוהה. SACs הראו ביצועים יוצאי דופן בתגובות כגון התגובה הפחתת חמצן, מימן, מימן, ומימן, ומניפולציה, לדוגמה, אטומים של פעילות גרעינית.

Catalysts ירוק

קטליזה ירוקה שואפת למזער את טביעת הרגל הסביבתית באמצעות חומרים לא רעילים, מתחדשים.

  • (FLT:0) זאלוליטים FLT:1 - Crystalline aluminosilicates עם micropores מוגדר היטב לפעול כמו זרז חומצה מוצק עבור אלקלור, בידוד, וסדקים.הם מחליפים חומצות נוזליות קורוזיות כמו חומצה הידרופלורית, שיפור בטיחות וצמצום הפסולת.
  • (FLT:0) מסגרות אורגניות (MOFssenti)FLT:1 - חומרים אלה ⁇ משלבים בלוטות מתכת טוטליות וקישורים אורגניים. MOFs יכול לשלב אתרים פעילים קטליטיים לתגובות כגון CO2 cycloaddition ל-epoxides, לייצר פחמן מחזורי המשמש בפולימרים.
  • (FLT:0)PerovskitessigmigmFLT:1 - תת-חמצני מתכתי מעורב עם הנוסחה הכללית ABO3 מראה ניגודיות עבור חמצון ואלקטרוליטיזה.הם יכולים להיות מסונתז מאלמנטים בעלי אדמה כמו סידן, טיטניום וברזל, והם יציבים תחת תנאים חמצון.
  • (FLT:0) Carbides ו nitridesFLT:1 - טרנזיון מתכת carbides (למשל, molybdenum carbide) ו nitrides (למשל, tungsten nitride) מציג התנהגות דומה-מתכתית כמו תגובה הקשורה מימן.

זרז ירוק אלה פועלים בדרך כלל בתנאים קלים יותר (טמפרטורה נמוכה יותר ולחץ), אשר מפחית את צריכת האנרגיה הכוללת.לדוגמה, זרחן-חומצה-חומצה-חומצה-חומצה טיפולית יכול להמיר סוכרים בעלי רמות ביומסה לתוך חומצה levulinic בטמפרטורות מתחת 200 מעלות צלזיוס, בהשוואה לתהליכים מסורתיים הדורשים חומצות קשות וטמפרטורות גבוהות.

אלקטרו-קטאליזה ו Photocatalysis

הפחתת חשמל מתחדשים או אור השמש כדי להניע תגובות כימיות היא אבן הפינה של תעשיית כימיקלים בת קיימא.

  • (FLT:0) מים פיצולFLT:1 - אלקטרוקטליסט (למשל, oxidesiridium oxides עבור אבולוציה חמצן, הידרוקסידים שכבת ניקל-ברזל עבור האבולוציה מימן) מאפשר ייצור של מימן ירוק מן המים באמצעות חשמל מתחדשים. הידרוגן יכול לשמש לאחר מכן דלק, ניזון, או צמצום הסוכן לייצור פלדה ו ammonia ייצור.
  • (FLT:0)CO2 אלקטרורductionFLT:1 - זרז מבוסס קופר יכול להפחית פחמן דו חמצני פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן כמו מתאן, ethanol, ו ethanol. עם זאת,סלקטיביות נשאר אתגר; מחקרים אחרונים באמצעות נחושת חד-חמצני-חמצני להשיג יעילות פאראדמטית מעל 80% עבור ethylene.
  • (FLT:0) סינתזה כימית סינתזה של סינתזה 1 (Siltulation 1) - Semiconductors כגון דו-חמצני טיטניום, דו-תת' ופחמן פחמי סופג אור שמש כדי לייצר זוגות אלקטרונים-חור.אלה יכולים להניע תגובות כמו מים פוטו-קטליטיים פיצול, השפלה מזוהמת, וסינתזה של כימיקלים משובחים.

אלקטרוקטאליזה ופוטקטאליה פועלים באופן חד-משמעי בתנאים נוחים, נמנעים מהטמפרטורות הגבוהות והלחצים של תהליכים תרמיים.זה מקטין הן את צריכת האנרגיה והן את עלויות הכור.ההמכשולים הגדולים ביותר הם יעילות קיצונית, יעילות המרה פוטו-כימיקלית-ל-כימיקלית, ויציבות ארוכת טווח.התקדמות בתאי פוטו-פוטוכימיקליים של טנדם והשימוש ב- plasonics nanos (למשל, חלקיקים) הם חיזוקים לסף-פרצים.

השפעה על מגזרי התעשייה המרכזיים

ייצור פלדה

תעשיית הפלדה מהווה כ-79% מפליטת CO2 העולמית.התפרות ההפצצה המסורתיות משתמשות בשקית מנת להפחית את אומת הברזל, פולטות CO2 כתוצר לוואי.תהליכי קטליטי מציעים מסלולים כדי להדהיר את ייצור הפלדה:

  • (FLT:0) H-DR)אנדרל (H-DR)אנדרל 1:1 – שימוש במימן ירוק במקום פחמן חד-חמצני כגורם הפחתת מייצר מים במקום CO2. Iron ore pellets מופחתים בפיראטנס עם מימן, ואת ברזל הספוג וכתוצאה מכך מומסת בזעם חשמלי.
  • (FLT:0) תהליכי אלקטרוכימיים המפחיתים ישירות את אור הברזל כדי להשתמש בחשמל מתחדש.Anodic ו- Cathodic זרזs (למשל, תחמוצת ניקל לאבולוציה חמצן) הם קריטיים ליעילות פרויקטים של טייס כגון Siderwin (EU) מפגינים את הכדאיות במדד של 50 ק"ג ליום.
  • (FLT:0)Carbon ללכוד ולהשתמש (CCU)OVAFLT:1) - המרה קטליטית של הפיצוץ פרוזאנסים מחוץ לגראס (כולל CO ו- CO2) לדלקים סינתטיים או כימיקלים.לדוגמה, באמצעות זרזי פישר-טרש, גזים אלה יכולים להפוך לפחמימנים לשימוש כמו הזנות כימיות.

פחמן מלא של פלדה ידרוש שילוב של תהליכים קטליטיים אלה עם מימן וחשמל מתחדשים בשפע, כמו גם שדרוגי תשתיות.

הפקה

Cement תורמת כ-8% מהפליטת CO2 העולמית, כ-60% מההתערות הכימית של אבן גיר (היקפיזיה) ו-40% משימוש באנרגיה. Catalysis יכול לטפל בשני המקורות:

  • (FLT:0Catalytic calcinationFLT:1) - הוספת זרז כגון מגנזיום תחמוצת או סידן aluminate יכול להוריד את הטמפרטורה של CaCO3 עד 50-100 מעלות צלזיוס, צמצום צריכת הדלק.בנוסף, דלקים פחמן-ניטרליים (למשל, ביומסה) ניתן להשתמש עם בעירה קטליטית כדי למזער CO2 אנרגיה.
  • (FLT:0) לכידת קרטבון במלט קליברל 1 (Post-combustion ללכוד באמצעות פותרים (למשל, amines) הוא אנרגיה-רגישות. סולידריות sorbents כמו סידן-פרלופינג עם מקדם קטליטי להראות הבטחה. לחלופין, oxy דלק oxy חנקן באמצעות זרז (למשל, perovskite חמצן) עבור זרם פחמן דו-דלקת דלק טהור יכול לייצר דלק חנקן.
  • (FLT:0) כימאים מלט חלופיים (FLT:1) - מלטים חדשים כגון סידן sulfoaluminate או פחמן דליקים מסתמכים על תגובות שונות אשר משחררות פחות CO2 במהלך הייצור. Catalysts יכולים להאיץ את תהליך החריף (תגובות ההידרומיות) ולהקטין את זמן הריפוי, מה שהופך חלופות אלה ליותר תחרותיות.

יישום פתרונות קטליטיים במלט ידרוש רטרוספקטיבה של צמחים קיימים או בניית מתקנים חדשים, ואת שולי הנמוך של התעשייה דורש זרזים יעילים.

ייצור כימי

המגזר הכימי צורב כ-10% מהאנרגיה העולמית ומייצר פליטות משמעותיות.קטאליזה כבר מתפשטת, אך תהליכים חדשים יכולים לשפר באופן דרסטי:

  • (FLT:0) כורים כימיים חשמליים חשמליים מחשמלים 1 (FLT:1) - הצבת חימום מבוסס הבעירה עם חימום חשמלי, לעתים קרובות שימוש בפצעים מנוגדים או אינדוקטיביים. Catalysts יציבים תחת שדות חשמליים גבוהים (למשל, עבור קריין הייבוש רפורמה בכור פלזמה-קטליטי) יכול לייצר מסנספורט עם טביעת רגל פחמן נמוכה יותר.
  • (FLT:0) Bioplastic monomersFLT:1 - ההמרה קטליטית של סוכרים biomass-derived ו lignin לתוך כימיקלים פלטפורמה כמו 1,4-butanediol, חומצה סוצ'ינית, ו caprolactam. לדוגמה, dehydrocyclization של sorbitol כדי Isosbide משתמש tarom-on-carbon הוא זרז מתחדש עבור monobide הוא .
  • (FLT:0) סינתזה של דלקת ריאות בתנאים קלים (Falveph:1) - דלקת ריאות אלקטרוכימית באמצעות הפחתה חנקן מכוונת ליתיום יכול לפעול בטמפרטורה ולחץ קרובים, על ידי עקיפה של Haber-Bosch תהליך של Alcit וזרזים המבוססים על ברזל ב- un-aqueous אלקטרוליטי עכשיו להשיג יעילות קיצונית של 3 עד 60% עד LT2K).
  • (FLT:0)Carbon דו-חמצני לכימיקלים של ®FLT:1 - המימן הקטליטי של CO2 למנול, חומצה עילאית, ו-urea הופך להיות בר-קיימא כמו ירידה בעלויות מימן מתחדשים. זרזי קוט-אלמסין הם תקן, אבל indium-and- cobalt-based זרזים מראים שיפור.

בהתחשב במגוון של מוצרים כימיים, פתרונות קטליטיים ספציפיים באתר יידרשו.מודולארי, כורים קטליטיים מקוטבים יכולים לאפשר ייצור מבוזר מזין מתחדשים מקומי.

מדיניות ושיתוף פעולה

אישור פריסת טכנולוגיות הפלמוניזציה הקטליטית דורש מערכת אקולוגית תומכת:

  • (FLT:0) מחקר מימון מנדט 1 (FLT:1) - ממשלות באמצעות סוכנויות כמו מחלקת האנרגיה של ארה"ב (DOE) והנציבות האירופית מקצה מיליארדים למדע הקטליטי.
  • (FLT:0) שותפויות תעשייתיותFLT:1 - קונסורטוריון קרוס-קטור כמו ה- Low-Carbon Catalysis Consortium (LC3) מביאים יחד חברות כימיות, אקדמיה ויצרניות זרז לחלוק נתונים, אב-טיפוסי מבחן ו- de-סיכון בקנה מידה.
  • (FLT:0) תמחור קרבון ותמריצים (FLT:1) - מחיר משמעותי על פחמן (למשל, 50–100 יורו ל- CO2) הופך את הפחתת פליטות הקטליטיות אטרקטיביות מבחינה כלכלית.
  • (FLT:0) ואימות ואימות (TEA) נדרשים להשוות בין קבוצות קטליטיות (IEA) לבין המועצה הבינלאומית על תחבורה נקייה (LCA) ואנליזה טכנולוגית (TEA) להשוואה בין קבוצות קטליטיות.

ללא פעולה מתואמת, טכנולוגיות קטליטיות מבטיחות יכולות להישאר במעבדה בשל אותות ביקוש לא מספיקים או שרשרת אספקה מפורצת.

מסקנה

תהליכים קטליטיים הם הכרחיים עבור מפחמי מגזרים תעשייתיים.מחדש nanocatalysts ו- bio-inspired מערכות לנתיבים אלקטרו-טקליטיים המופעלים על ידי מתחדשים, תיבת הכלים מתרחבת במהירות.אתגרים קריטיים נשארים - עלות, עמידות והיקף - אבל R&D מתמשכת, מדיניות תומכת, ושיתוף פעולה בתעשייה יכול להתגבר עליהם.המעבר לכלכלה דלת פחמן נמוכה-פחמן-פחמן-פחמן-פחמן-פחמן-הביקוש כי שפע של מזון COD2-חמצני, אך ורק למינימום, אך ורק לצריכת אנרגיה, אך ורק לחיסכון מינימלית, עם אנרגיה, אך ורק לצמצום של אנרגיה, עם אנרגיה מתחדשת, עם אנרגיה, עם אנרגיה, עם אנרגיה, אך ורק למינימום, עם אנרגיה מתחדשת, עם אנרגיה, עם אנרגיה, עם אנרגיה מתחדשת, עם , עם אנרגיה, עם אנרגיה, עם אנרגיה מתחדשת, עם אנרגיה מתחדשת, ואקליםית, עם אנרגיה, עם אנרגיה, עם אנרגיה, עם אטומית, עם אנרגיה מתחדשת, עם , ואקלים פתוח, אך ורק לצמצום, עם אנרגיה, ואקלים, עם אנרגיה, עם אטומית, עם אטומית, ואקלים פתוח, אך ורק אטומית,

(ב) [ה]: [ה] [ה]] [ה]] [ה]], [ה], [ה]], [ה]], [ה]]], [ה]]], [ה], [ה], [ה], [ה]]], [ה]]]]ההה']'[ה']']']'[ה'[ה']']']']']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']']'[ה']']'[ה'[ה']']']'[ה']']'[ה'[ה'[ה']']']']']']'[ה'[ה']']']'[ה']'[ה']']']'[ה']']']'[ה'[ה']'[ה']'[ה']']']'[ה'[ה'[ה'[ה'