二氧化碳再利用生成乙烯之研究

近百年來由於工業革命促成石化材料的大量使用,人類對於物質生活越來越講究,使得石化產品急劇的產生,並伴隨著污染物迅速的生成,包含大量CO2的排放。日前京都議定書已通過,使得CO2減量議題成為目前全世界所關注的焦點之一。

本研究利用金屬光觸媒還原CO2以生成乙烯,提供作為工業上之原料。一方面可以降低溫室效應氣體排放,另一方面可以增加石化資源的產生來源。本研究利用光觸媒(Cu/TiO2及Ag/TiO2),經由波長254 nm的UV燈照光產生電子與電洞對,並結合電解程序將CO2還原成石化資源之乙烯。

本研究共使用四種不同還原程序,方法與結果分別敘述如下 :

1) Ag/TiO2光催化還原氣相CO2程序:產物主要為甲醇。反應24小時後,最大甲醇產量達到48.3 μg ;

2) Ag/TiO2和Cu/TiO2光催化還原液相CO2程序:反應產物以液相甲醇為主。在溶液初始濃度為5 g L-1 NaOH、飽和CO2、觸媒量為1 g、及反應28小時,結果顯示Ag/TiO2之催化效果較Cu/TiO2為佳。其甲醇產量分別為124.46 及53.93 μg ;

3) 三相(氣(CO2)/液(Na2CO3/CuCl2)/固(Cu/TiO2))光催化還原CO2程序:產物主要為甲烷。當觸媒量為0.5 g,在溶液初始濃度含0.1 M Na2CO3和1 M CuCl2,反應28小時後系統之甲烷產量可達62.5 μg ;

4) 三相(氣(CO2)/液(Na2CO3/CuCl2)/固(Cu/CuCl) )使用紅銅電極電解法還原CO2之程序:此程序反應3小時但無Cu/TiO2觸媒下,最適操作條件為前處理曝CO2一小時下,0.2 M Na2CO3、0.1 M CuCl2濃度、電流為1安培(A)、相對電壓為12伏特(V)時,氣態CO2降解率達88%。乙烯及甲烷產量分別為53,211及3,433 μg,乙烯產量佔氣相有機物達到93.9%。乙烯產量佔氣液相有機物產量總合的73.42%。合成氣 (CO + H2)產量更佔整體氣體產量的49.6%。其他氣體CO、H2、及O2則分別為74,788、80,791、及101,642 μg ; 最後液相甲酸產量為15,832 μg ;

5)三相(氣(CO2)/液(Na2CO3/CuCl2)/固(Cu/TiO2))之光催化結合紅銅電極電解法還原CO2之程序: 在0.2 M Na2CO3,添加0.5 g Cu/TiO2條件下,其甲烷、乙烯、CO、甲酸、H2、及O2之總生成量分別為942、13,160、46,096、4,907、87,975、及100,926 μg。與程序4相比較,乙烯、甲烷、及甲酸產率下降三分之二,CO產率下降二分之一,O2產率不變,而H2產率稍微上昇。由此可知,於較高Na2CO3濃度( 0.2 M )時添加Cu/TiO2光觸媒進行光電解反應會抑制甲烷、乙烯、CO、及甲酸之生成,但會稍微增加氫氣的產生。顯示出電解與光觸媒兩系統結合將CO2還原,其效能有降低之效果。

以上各程序所使用之觸媒量中,程序(1)為Ag/TiO2觸媒0.85 g,程序(2)為Ag/TiO2及Cu/TiO2觸媒1 g,程序(3)及(4)皆為Cu/TiO2觸媒0.5 g,Ag/ TiO2和Cu/TiO2之Ag和Cu為2 wt.%;程序(1)之氣體體積為1060 mL,而程序(2)之液相體積1000 mL,程序(3)及(4)之液相體積皆為500 mL。未來後續研究仍需針對乙烯產率及選擇性做更進一步之提升。

作者:陳原禾