一种激光高效二氧化碳还原方法

1.本发明属于二氧化碳还原技术领域，具体涉及一种激光高效二氧化碳还原方法。


背景技术：

2.二氧化碳排放的快速增长正在打破自然界原有的碳平衡，造成了严重的生态危机。为此，减少和转化二氧化碳被认为是扭转这一状况的一个潜在途径。其中，最常见的是通过还原二氧化碳来减少二氧化碳的排放。目前，常规的二氧化碳还原方法主要有热催化法、光催化法、电催化法等。然而，这些方法均具有工艺复杂、能耗高、效率低下等缺点，这是由二氧化碳还原为一氧化碳过程中标准摩尔生成焓(283kj/mol)高、化学反应势垒大、反应路径复杂所导致的。此外，缺乏经济、高效的催化剂等因素，也极大地阻碍了二氧化碳还原的应用。因此，有必要寻找一种简单、温和、绿色的方法来还原二氧化碳。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种激光高效二氧化碳还原方法，通过采用脉冲激光在水中产生空泡来实现对二氧化碳的还原，将其还原生成一氧化碳和氧气等高附加值产物。该技术方法简单，干净，并能够实现对一氧化碳的高产率和高选择性。
4.为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
5.本发明提供了一种激光高效二氧化碳还原方法，即利用激光在液体中产生空化气泡，通过空化气泡的迅速淬灭促使二氧化碳迅速解离还原为含碳和不含碳的产物。
6.优选地，所述激光为脉冲激光。
7.本发明用用脉冲激光在液体中产生空泡实现对二氧化碳的高效和高选择性还原，将其还原生成一氧化碳、氧气等相关含碳和不含碳的产物。本发明利用气泡内高温化学反应热力学和动力学在内的脉冲激光二氧化碳还原的机理。在热力学方面，脉冲激光在液体中引起的极端高温促进了反应的高效进行，保证了较高的产率。从动力学角度看，气泡的快速猝灭过程会使最终产物的气泡中发生高温化学反应的初级产物冻结，而逆反应的高能势垒会阻止产物返回到二氧化碳的初始状态，并防止进一步生成更多的碳相关产物状态。因此，热力学和动力学的协同作用保证了脉冲激光二氧化碳还原的高收率和高选择性，从而具有高效和高选择性。因此，脉冲激光在液体产生的空泡技术有望成为除催化化学以外的一种温和条件下的高效二氧化碳还原方法。
8.优选地，所述激光的能量为300-700mj/pulse。一氧化碳、氧气和氢气等产物的产率随着激光能量的增大而增加。
9.优选地，所述激光的频率为10-100mhz。一氧化碳、氧气和氢气等产物的产率随着激光频率的增大而增加。
10.优选地，所述激光的作用时间大于1小时。可以通过调节激光作用时间来改变产物浓度。
11.优选地，所述液体包括水、甲醇、乙醇。利用激光可以在水、甲醇乙醇等各种液体中
实现二氧化碳的还原，能够将二氧化碳解离还原生成一氧化碳和氧气等相关高附加值产物。
12.优选地，激光作用前，先用二氧化碳对液体进行鼓泡，以确保液体中不含空气。
13.优选地，激光作用的环境为室温。
14.优选地，所利用的激光器参数可调，可调的参数包括但不限于激光频率，脉冲能量等。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.本发明公开了一种激光高效二氧化碳还原方法，该方法属于催化化学以外的一种在温和条件下实现二氧化碳高效还原的方法。利用脉冲激光在液体中聚焦产生空泡，在其空泡内能够实现二氧化碳的高效和高选择性还原，并反应生成一氧化碳和氧气等高附加值产物。一方面，利用激光产生局部高温环境有利于反应的快速进行，使二氧化碳迅速解离还原。另一方面，由于激光产生的空泡能够迅速淬灭，使产物迅速释放，并且难以通过逆反应回到初始状态，从防止进一步更多的产物状态，从而具有高效和高选择性。同时，该方法无需催化剂，且在室温环境下即可实现，简单，干净，产率高，对产物具有高选择性。与经典的光催化、热催化和电催化等催化路径相比，本发明无需高温、高压和高电流等苛刻反应条件，对发展二氧化碳还原新技术和脉冲激光在局部高温化学合成的应用中具有重要意义。
附图说明
17.图1为实验装置示意图；
18.图2为不同能量下的一氧化碳产率；
19.图3为不同激光能量下的氧气的产率；
20.图4为不同激光能量下的氢气的产率；
21.图5为不同激光能量下产物气体各产物的百分含量。
具体实施方式
22.下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
23.下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。
24.实施例1一种激光高效二氧化碳还原方法
25.本实施例利用脉冲激光在溶液聚焦出高温空泡的方法来驱动二氧化碳高效和高选择性地还原为一氧化碳和氧气，反应容器采用石英室反应器(实验装置示意图如图1所示，该装置简单，易操作)，作用环境为温室，具体方法如下：
26.(1)将超纯水倒入石英室反应器，并通入二氧化碳气体鼓泡，排除水中的其他气体，以确保水中不含空气。
27.(2)将波长可调、脉宽可调和频率可调的脉冲激光器(厂家：spectra-physics，型号：pro-250-10e)产生的激光束聚焦在水面下方，产生空化气泡，并将二氧化碳引入水中(1l/min)提供二氧化碳源(从反应器的侧壁下方引入)，通过调节脉冲能量、激光器频率、激
光作用时间等参数对水中的二氧化碳进行处理，激光作用完后用气袋收集该装置(密封反应器，顶部设置有气体出口)所产生的气体。
28.首先，改变脉冲激光脉冲能量的范围(300-700mj/pulse)，激光作用时间为1h，收集其反应后产生的气体，并利用气体分析仪对其进行检测，其结果如图2-5所示，表明一氧化碳、氧气和氢气产率随着激光器能量的增大而增加。可见，采用脉冲激光作用可将二氧化碳气体高效和高选择性地还原为一氧化碳等高附加值产物。
29.其次，改变激光器频率，激光作用时间为1h，用气袋收集该反应产生的气体，并利用气相色谱仪对产生的气体进行检测。证实有一氧化碳、氧气和氢气的生成。结果发现一氧化碳、氧气和氢气的产率也随着激光器频率的增大而增加(未图示)。可见，增加脉冲激光的频率，也可更加高效地实现二氧化碳的还原。
30.综上可知，该实施例利用脉冲激光在充满二氧化碳气体的液体中聚焦使之电离产生高温空泡，从而使二氧化碳迅速解离、还原为一氧化碳和氧气等相关产物。说明除催化化学外，脉冲激光也可以在常温常压下实现二氧化碳的高效、高选择性还原，且此方法具有简单，干净，产额高等优点。
31.以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。


技术特征：
1.一种激光高效二氧化碳还原方法，其特征在于，利用激光在液体中产生空化气泡，通过空化气泡的迅速淬灭促使二氧化碳迅速解离还原为含碳和不含碳的产物。2.根据权利要求1所述的一种激光高效二氧化碳还原方法，其特征在于，所述激光为脉冲激光。3.根据权利要求1所述的一种激光高效二氧化碳还原方法，其特征在于，所述激光的能量为300-700mj/pulse。4.根据权利要求1所述的一种激光高效二氧化碳还原方法，其特征在于，所述激光的频率为10-100mhz。5.根据权利要求1所述的一种激光高效二氧化碳还原方法，其特征在于，所述激光的作用时间大于1小时。6.根据权利要求1所述的一种激光高效二氧化碳还原方法，其特征在于，所述液体包括水、甲醇、乙醇。7.根据权利要求1所述的一种激光高效二氧化碳还原方法，其特征在于，激光作用前，先用二氧化碳对液体进行鼓泡，以确保液体中不含空气。8.根据权利要求1所述的一种激光高效二氧化碳还原方法，其特征在于，激光作用的环境为室温。

技术总结
本发明属于二氧化碳还原技术领域，具体涉及一种激光高效二氧化碳还原方法。本发明公属于催化化学以外的一种在温和条件下实现二氧化碳高效还原的方法。利用脉冲激光在液体中聚焦产生空泡，在其空泡内能够实现二氧化碳的高效和高选择性还原，并反应生成一氧化碳和氧气等高附加值产物。一方面，利用激光产生局部高温环境有利于反应的快速进行，使二氧化碳迅速解离还原。另一方面，由于激光产生的空泡能够迅速淬灭，使产物迅速释放，并且难以通过逆反应回到初始状态，从防止进一步更多的产物状态，从而具有高效和高选择性。同时，该方法无需催化剂，且在室温环境下即可实现，简单，干净，产率高，对产物具有高选择性。对产物具有高选择性。对产物具有高选择性。


技术研发人员：杨国伟 闫波 曹玮玮
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2022.08.31
技术公布日：2022/11/4