הקדמה: המעבר לקראת תמיכה ב-Catalyst

Catalyst תומך הם העורכים הלא-מרוסים של כימיה תעשייתית, מתן הפלטפורמה הפיזית שבה מינים קטליטיים פעילים מתפזרים ומגיבים. החל מנפט מזינוק לסינתזה של תרופות, בחירת חומר התמיכה משפיעה ישירות על קצב התגובה,סלקטיביות ויציבות ארוכת טווח.במשך עשרות שנים, פחמן פעיל, אלומיניום, אריקה, ו תחמוצת מתכת שונים שלטו בנוף - חומרים, כי הם יעילים, בעוד מקורות אנרגיה מתחדשת, לעתים קרובות, כמו גם מקורות אנרגיה מתחדשת, כמו גם אנרגיה מתחדשת, כמו גם כן, כמו גם משאבים סביבתיים, כמו גם כן, כמו גם יעיל, כמו גם משאבים מזיקים, כמו גם אנרגיה מתחדשת, כמו גם משאבים מזיקים, כמו גם משאבים מזיקים, כמו גם כן, כמו גם משאבים מזיקים, כמו גם אנרגיה מתחדשת, כמו גם משאבים מזיקים, כמו גם אנרגיה מתחדשת, כמו גם אנרגיה מתחדשת, כמו גם משאבים מזיקים, כמו גם אנרגיה מתחדשת, כמו גם משאבים סביבתיים, כמו גם כן, כמו גם אנרגיה מתחדשת, כמו גם יעיל, כמו גם משאבים סביבתיים גמישים, כמו גם יעיל, כמו גם משאבים מזיקים, כמו גם חומרים מזיקים, כמו גם אנרגיה מתחדשת, כמו גם אנרגיה מתחדשת, כמו גם, כמו גם אנרגיה מתחדשת, כמו גם חומרים מזיקים, כמו גם אנרגיה מתחדשת יעיל.

משאבים חדשים - החל מהשורדים החקלאיים ועד הביו-פוחיות - דרך להפחית את טביעת הרגל פחמן, עלויות ייצור נמוכות יותר, וליצור תמיכה כי הם גם biodegradable ופונקציונלי. מאמר זה חוקר את הרציונלי מאחורי השינוי הזה, סקר את סוגי הזנות המתחדשות תחת חקירה, בוחן טכניקות ייצור, שוקל את היתרונות נגד אתגרים מתמשך, ומשקיף קדימה לחידושים שיכולים להפוך את המציאות המיושנת.

מדוע שיפור משאבים עבור תמיכה ב-Catalyst

הייצור בקנה מידה תעשייתי של זרז קונבנציונלי תומך נושאת מטען סביבתי משמעותי. Mining ו refining של תחמוצת מתכת מעבר לצרוך אנרגיה ומייצר זנבות; סינתיזציה של פחמן דו-קרקעי גבוה לעתים קרובות כרוך מבשרי דלק מאובן; ואת סוף החיים של תמיכה מושקע מוסיף נטל הקרקע.

  • (FLT:0)Carbon Neutrality:FLT:1 Biomass-based תומך ב-Squier CO2 במהלך הצמיחה, והייצור שלהם יכול להיות משולב עם זרמי ביו-ריטרינר הקיימים.
  • (FLT:0) Resource Efficiency:FLT:1) פסולת חקלאית ויערות - כגון סריקות אורז, תנור תירס, ו-Seedust - הם הרבה מזון זול כי יהיה נשרף או אדמה מלאה.
  • (FLT:0) Biodegradability: FLT:1hil תומך באופן טבעי בפירוק בתנאים קלים, פשט את הסילוק וצמצום הסיכונים לטווח ארוך של זיהום.
  • (FLT:0Functional Tunability:FLT:1) ניתן לנצל את הפונקציונליות הכימית של חומרים ליגנולוסיים (למשל, hydroxyl, carboxyl וקבוצות פנוביות) לעגן חלקיקים מתכת או לעבור שינויים משטח מותאמים.

יתר על כן, תמריץ כלכלי חזק: הזנות מתחדשות הן לעתים קרובות זולות יותר לטון מאשר תחמוצות מתכת מטוהר או פחמן סינתטי, במיוחד כאשר מקורו כמוצרים משותפים מחקלאות או pulp /paper. היתרונות האלה עוררו מחקר אינטנסיבי ברחבי העולם, עם מחקרים מראים כי תמיכה ביולוגית-דרטיבית יכול להתאים או אפילו יותר על הביצועים של עמיתיהם הקונבנציונאליים בתגובות ממוקדות.

סוגי משאבים חדשים תחת חקירה

Biomass

Lignocellulose - המורכב של cellulose, hemicellulose, ו lignin - הוא החומר האורגני רב ביותר על כדור הארץ. Feedstocks כוללים שבבי עץ, קש, מתגים, וממבוק. כאשר פחמן באמצעות pyrolysis, Lignocellosic biomass מניבה ביושר עם מבנה ⁇ ושטח מתון נוסף יכול להגביר את החמצן או חנקן (ת) או חנקן.

לדוגמה, העבודה של FLT:0 [FLT:]6 [01] הוכיחה כי ביושר שמקורו עץ אורן, המופעל עם KOH, השיג שטח משטח מסוים מעל 2000 m2/g - תוך שהוא מתחרה על ידי פחמן פעיל מסחרי.כאשר טעון עם שיתוק, תמיכה זו הציגה פעילות מצוינת בתגובות הפיכה סוזוקיוקיוקיוזינג ויכולה להיות ממוחזר מספר פעמים ללא אובדן משמעותי של ביצועים.

פסולת חקלאית ומזון

תוצרי לוואי נמוכים של חקלאות ועיבוד מזון אטרקטיביים במיוחד משום שהם נושאים כמעט ללא עלות חומרית גולמית.

  • (FLT:0Rice Husks:FLT:1 Rich in silica (עד 20 wt%), צינורות אורז ניתן לעבד לייצר מרוכבים SiO2-biochar.הסיליקה מספקת כוח מכני ויציבות תרמית, בעוד שלב פחמן תורם מוליכות חשמלית ונפיחות.
  • (FLT:0) Sugarcane Bagas:FLT:1 הפיברוס נשאר לאחר החילוץ הוא מקור עשיר של צלולוז. Carbonization מניב פחמן ⁇ שניתן לתפקוד נוסף עם קבוצות חומצה sulfonic לשימוש כזרז חומצה מוצק.
  • (FLT:0) Coconut Shells: FLT:1 כבר בשימוש עבור פחמן פעיל, קליפות קוקוס לייצר אידיאל חזק, מיקרו- ⁇ char עבור תמיכה במימן ותגובות חמצון.
  • (FLT:0) ספנט קפה קרקע: 1FLT:1, a rising Feedstock המשלב תוכן פחמן גבוה עם גודל חלקיקים אחיד, מה שהופך אותו מתאים לסינתזה של תמיכה .

Biopolymers

פולימרים סינתטיים וטבעיים מציעים מגוון שונה של יתרונות: הם יכולים להיות מעובדים לצורות מוגדרות היטב (מבנים, סרטים, מונוליטיות) וכימיה פני השטח שלהם ניתן לשלוט בדיוק באמצעות copolymerization או grafting. Common biopolymers המשמש כזרז תומך כוללים:

  • (FLT:0)Cellulose ו- Derivatives שלה:BuildFLT ( 1 ננולוז (CNC, CNF) מספק תבנית גבוהה-aspect-ratio עם קבוצות הידרוקסיל בשפע. מתכת חלקיקים ניתן לגדל ישירות על סיבי צלולוז, מניב membranes קטליטי גמיש.
  • (FLT:0) פוליסלקט Acid (PLA): דרביFLT:1 דרבירד מכוכב תירס או סוכרקני, PLA הוא מותש, והוא יכול להיווצר לתוך הפיגמומים ⁇ לאחר פחמן, הוא מניב פחמן דו-פעמי (אם PLA הוא משולב עם מונומרים המכילים חנקן).
  • (ב) ⁇ :0) צ'יטוסאן: 1 (FLT:1) מכופות קרום, צ'יטוסאן מכיל קבוצות אמינו ו הידרוקסיל אשר מצות מתכת גבוהה, המאפשרות עומסי מתכת גבוהים ופיזור אחיד.
  • (ב) ⁇ :0) פוליסטרים פוליסטרים מיקרוביאליים אשר הם ביו-דידה מלאה; כאשר הם מזועזעים, הם משאירים מאחורי שאריות פחמן שניתן להפעיל עבור שימוש קטליטי.

שיטות להכנת תמיכה Catalyst Renewable

המרה של משאבים מתחדשים גולמיים לזרז פונקציונלי דורש מבחר זהיר של מסלולי עיבוד כדי להשיג את האדריכלות הרצויה, שטח פני השטח, ופונקציונליות כימית.

Pyrolysis ו Carbonization

המסלול הישיר ביותר הוא pyrolysis - חימום הזין באווירה אינרט (N2, Ar) לטמפרטורות בין 300 מעלות C ו 900 מעלות צלזיוס. במהלך pyrolysis, תרכובות אורגניות תנודתיות מונעות, משאירות כריז פחמן עשיר יותר פחמן.התשואות ונכסים של כריזמה מייצרות במידה רבה על קצב החימום, הטמפרטורה הסופית, וזמני מגורים איטיים (ה 5 מעלות צלזיוס) פחות, אך פחות מחוספסים (ב) אך פחות מחוספסים) אך פחות גבוה יותר של מבנה ביולוגי (ב- 10 מעלות צלזיוס) אך פחות גבוה יותר, אך פחות גבוה יותר, אך פחות גבוה יותר, אך ורק על קצב חום (ב- 10 מעלות צלזיוס) אך פחות).

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Carbonization hydrothermal Carbonization (HTC)

תהליכים ביומסה רטובים במים חמים דחוסים (180-250 מעלות צלזיוס, לחץ אוטומטי) לייצר הידרוכריזה - חומר דמוי פחם עם קבוצות משטח עשיר חמצן.HTC מתאים במיוחד עבור מזון עתירי גבוה (מזון, אצות) כי זה נמנע עלות האנרגיה של ייבוש.ה הידרושר יכול להיות עוד pyrozed או מופעל.

Sol-Gel Templating with Biopolymers

ביופוחיות כגון cellulose, alginate, או ג'לטין יכול לשמש תבניות מבניות בתהליכים sol-gel.בהליך טיפוסי, מבשר מתכת alkoxide (למשל, tetraethyl אוטושט בדיוק עבור משקעים) מוטבע בנוכחות של ג'ל מתמוסס.

המונחים:

עבור ביופוחיות עם קבוצות מתכת חזקות (chitosan, alginate), חלקיקים זרז ניתן להדבק ישירות על התמיכה ללא פחמן מראש.לדוגמה, פתרון phenladium chloride נוסף ל- Chitosan beads יהיה פרסומות pd2+ ions; לאחר מכן הפחתת NaBH4 מייצרת אפילו Pdol חלקיקים מופצים על ידי טמפרטורות אלה הוא פשוט, למנוע טמפרטורות פולינזילות.

יתרונות ואתגרים מתקדמים

היתרונות בתרגול

מעבר להבטחות הסביבתיות והכלכליות, התומכות המבוססות על אנרגיה מתחדשת סיפקו יתרונות ממשיים במערכות קטליטיות:

  • (FLT:0) Higher Metal Dispersion: FLT:1 הקבוצות המכילות חמצן וחנקן על ביושרס פועלים כאתרי ניקוי המונעים הדבקה חלקיקים מתכתיים, המוביל לחלקיקים קטנים יותר ויותר אחידים.
  • (FLT:0) תפקודן: 1FLT (חלק מהמתחדשים תומכים בחומצה טבועה (פנוי - OH) או בסיסי (קבוצות של סרטן בצ'יטוסאן) אופי, המאפשר להם להשתתף ישירות במחזורים קטליטיים ולא רק לשמש כמו ספקים אינרטיים.
  • (FLT:0)Ease of Recovery:FLT:1 biochars מגנטי (המוגדר על ידי ביומסה מצופים משותפת עם מלחי ברזל) ניתן להפריד בין תערובת תגובה עם מגנטי, מפשט זרז מיחזור.
  • (FLT:0)Tailored Porosity:FreaLT:1 על ידי בחירת תנאי ההזנה וההפעלה המתאימים, ניתן לתכנן תמיכה עם מיקרו-, meso-, ומאקרו-פוחיות כדי להתאים לדרישות תגובה ספציפיות - למשל, מאקרופורוזיות לתגובות המרה ביומסה הכרוכות במולקולות גדולות.

שמירה על ה Hurdles

למרות ההצלחות הללו, יש להתגבר על כמה מכשולים לפני שזרז מתחדשים תומך באימוץ תעשייתי נרחב:

  • (FLT:0)Btch-to-Batch Variability:BuildFLT:1 , Natural Feedstocks להשתנות עם מיקום הקציר, העונה, תנאי האחסון.ללא אמצעי בקרת איכות קפדניים, אזור פני השטח הסופי של התמיכה, חלוקת גודל מפונק, ופרופיל אימפולסיבית יכול להשתנות, המוביל לביצועים קטליטיים בלתי צפויים.
  • (FLT:0) Thermal and Chemical Stability:FreaLT:1 ; ביופוחיות רבות (למשל, צלולוז, PLA) להתחיל להשפיל מעל 200-300 מעלות צלזיוס, הגבלת השימוש שלהם בתגובות חד-פעמיות גז בטמפרטורה גבוהה. פחמן משפר את היציבות, אבל הפחמן המתקבל הם יותר נוטה לחמצן בגרף אוויר מאשר פחמן מנפט.
  • (FLT:0)Ash and Impurities:FLT:1 Biomass לעתים קרובות מכיל כמויות משמעותיות של מתכות אלקאלי ואלקלנטי (K, Ca, Mg) ו- silica. בעוד כמה זיהומים יכולים להיות מועילים (למשל, אחליקה משפרת כוח מכני), אחרים עשויים להרעיל את הזרז הפעיל או לגרום לתגובות שליליות.
  • (FLT:0)איכות הייצור: FLT:1hil, למרות pyrolysis והפעלה כימית מבוססים טכנולוגיות, שילוב של סינתזת תמיכה מתחדשת לתוך קווי ייצור זרז קיימים דורש הנדסה זהירה.העלות של איסוף, תחבורה, ו pre-מעבדת ביומסה מסיבית יכול לבטל את החיסכון בחומרי גלם.
  • (FLT:0) חידוש וארוכותיות: FLT:1, היציבות ארוכת הטווח של תמיכה ביולוגית-דרדרטיבית תחת מחזורי שיקום חוזרים ומתועדים עדיין ללא פגע. coking, חטא, והתמוטטות פוחת עלולה להתרחש מהר יותר מאשר עם תמיכה קונבנציונלית, הזנחה יותר החלפה תכופה.

פרספקטיבה עתידית וחדשנות מתפתחת

תחום הזרז המתחדש תומך במהירות, וכמה אסטרטגיות מתפתחות מבטיחות לטפל במגבלות הנוכחיות.

המונחים: bio-hybrids

שילוב של תמיכה מתחדשת עם ננו-חומרים מתקדמים - כגון תחמוצת גרפן, צינורות פחמן, או MXenes - היברידיות של מיליטדס המנצלות את הטוב ביותר של שני העולמות.לדוגמה, תאוזה-נאן-שליבר-פחמן חמצני-מטרן aerogel יכול לספק גם שטח גבוה (>600 m2/g) וגמישות מכנית יוצאת דופן.

פיתוח: Surface Engineering

במקום לאחר הסינתזה פונקציונליזציה, החוקרים מפתחים שיטות להתאים את הכימיה של פני השטח של התמיכה במהלך שלב הפלימיזציה.קו-פירוטינזה עם כמויות קטנות של בורות, פוספטים, או תרכובות המכילות חנקן (urea, melamine) מציג heteroms שמשנים את התכונות האלקטרוניות של פני פחמן, שיפור אינטראקציות תומך מתכת ופעילות קטליטית.

Life Cycle Assessment (LCA)-Driven Design

פיתוח עתידי יסתמך יותר ויותר על LCA מקיפה כדי לזהות את הטריופול המעבד בר קיימא ביותר של מחקרים LCA מוקדם הראו כי תמיכה שנעשו מ שאריות חקלאיות יש פוטנציאל התחממות גלובלית 40-60% נמוך יותר מזה של פחמן פעיל פעיל, במיוחד כאשר cochar הביו-char משמש לתיקון אדמה או ייצור אנרגיה (FLT:0example LCALTF:1).

שילוב עם Biorefineries

הגישה היעילה והסביבתית ביותר עשויה להיות לייצר זרז תומך כתוצרי של biorefineries הקיימים שממירים ביומסה לדלקים, כימיקלים וחומרים.לדוגמה, lignin – השבריר המופחת מהייצור של אתנול תאואולי – ניתן להפריד ולהמיר לפחמי פחמן דו-צדדיים.

Machine Learning for Feedstock Optimization

עם מגוון רחב של מזון פוטנציאלי תנאי עיבוד, מודלים למידת מכונה מאומנים לחזות את תכונות התמיכה הסופיות (אזור חוצות, נפח פוד, כימיה פני השטח) בהתבסס על קומפוזיציה ופרמטרים פיירוליטיזה.מודלים כאלה יכולים להאיץ באופן דרמטי את העיצוב של תמיכה מותאם לתגובות קטליטיות ספציפיות, צמצום הצורך בניסויים יקרים של ניסוי וטרור.

מסקנה

הפיתוח של זרז תומך משאבים מתחדשים כבר לא סקרנות נישה - זה עדיפות אסטרטגית עבור תעשיית כימית תחת לחץ כדי decarbonize. Lignocellulosic ביומסה, פסולת חקלאית, biopolymers מציעים שפע, דל עלות נמוכה הזנות כי, כאשר מעובד כראוי, מניב תמיכה עם אזורי משטח תחרותי, טונה, ולעתים קרובות ניצול מתכות מעולה בעוד אתגרים של נכות, יציבות, ויציבות גבוהה, הפחתת הפחתת קצב למידה - הוא מתמשך של פחמן-ממדן - נטייה מתמשכת.

ככל שהשדה בוגר ומחקרים השוואתיים יותר יתפרסמו, היתרונות המעשיים של תמיכה מתחדשת יהפכו ברורים יותר ויותר.עבור חברות וחוקרים המחויבים לכימיה ירוקה, השאלה אינה עוד FLT:0 בין אם כן אבולוציה 1:1 כדי לחקור תמיכה מתחדשת, אך בין אם FLT:2how הטוב ביותר FLT 3: 3 כדי לשלב אותם לתוך תהליכים קטליטיים קיימים.