有效利用廢棄太陽能板,從二氧化碳中創造有用物質

 

刊登日期:2022/6/24
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橫濱國立大學與產業技術總合研究所(AIST)、東京工業大學的研究團隊成功地合成出可將二氧化碳轉換為甲酸、甲醇等物質之觸媒,且發現太陽能板製造過程中排放的矽可利用做為該反應的還原劑。此項技術可望同時實現二氧化碳資源化與太陽能板回收再利用。
 
此次研究中,研究團隊成功地創造了一項將二氧化碳轉化為甲酸與甲醇的觸媒反應。甲酸與甲醇是做為各種化工產品原料的重要有機化合物,要將二氧化碳轉化為這些有機物質,必須利用到觸媒與還原劑,而研究團隊發現可利用太陽能板製造過程中排出的矽晶片(金屬矽)做為還原劑。換言之,研究團隊成功地以工業廢氣二氧化碳與廢棄的金屬矽合成出甲酸、甲醇等有用化學品。
 
研究團隊在二氧化碳環境下將粉末化的矽晶片與觸媒量的氟化四丁基銨(Tetrabutylammonium Fluoride;TBAF)予以混合並以150℃加熱,發現二氧化碳被消耗而產生甲酸。甲酸的產收率最高達到68%,而投入反應容器的二氧化碳約有70%轉化為甲酸。進一步調整反應條件後,則成功地以二氧化碳合成了高達20微莫耳(Micromole)的甲醇,且發現若未添加TBAF時這些反應完全不會進行,故可知氟化物是一項重要的觸媒。
 
所有關於金屬矽與二氧化反應以讓二氧化碳還原的的既有報告中,都需要準備經過特別調製的矽納米顆粒,且為了促進矽表面的活性化,需要添加比矽重量高出37~2.2倍的氟化氫(HF)。而此次研究可以使用廢棄的矽晶片,且使用穩定的氟化鹽取代HF,氟基準的含量也僅僅只是每單位矽重量的0.7%以下。
 
為了確認生成的甲酸或甲醇來自於二氧化碳的碳,以同位素13C取代的13CO2進行觸媒反應後,觀測到生成的甲酸、甲醇中含有同位素13C,由此可知投入的二氧化碳確實變成有機物。研究團隊也在觸媒反應完成後回收固體殘渣,並進行了X射線光電子能譜(XPS)與X射線繞射(XRD)測量。分析結果證實投入的金屬矽被氧化,且確認在殘渣表面形成了Si-F結合。由此可推測其反應機制係TBAF的氟離子與矽原子反應,促使金屬矽表面活性化,進而生成將二氧化碳還原為甲酸的氫化物物質(Si-H)中間體。
 
此項研究將太陽能板製造過程中排放的矽晶片活用做為還原劑,成功地創造了將二氧化碳轉化為有機資源的觸媒反應。此項觸媒反應不僅有助於二氧化碳的有效利用,且可望成為太陽能板高值化回收方法之一。

資料來源: https://www.ynu.ac.jp/hus/koho/28139/34_28139_1_1_220527053034.pdf
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