专利名称：二氧化碳电化学还原转化利用的方法
技术领域：
本发明涉及一种二氧化碳电化学还原转化利用的方法。
背景技术：
以化石能源为核心的资源枯竭问题和以气候变化为核心的环境问题是当前人类面临的两大危机。自工业革命以来的上百年里，大量使用化石能源导致其资源短缺，对环境也产生了严重的负面影响，以地球变暖为核心的全球环境问题日益严重，已经成为威胁人类可持续发展的主要因素之一，削减温室气体排放以减缓气候变化成为当今国际社会关注的热点。大量含碳能源的消耗加快了CO2排放速度，打破了自然界CO2循环的平衡，造成CO2在大气中的积累，一方面形成温室效应引起气候变化，另一方面造成了碳源流失。利用可再生能源将CO2转化成含碳的化工原料或燃料则是实现能源和环境可持续发展亟待解决的关键课题。资源化利用CO2主要可通过化学转化、光化学还原、电化学或化学还原、生物转化、CO2与甲烷的重构、CO2的无机转化方面进行。其中化学转化、CO2与甲烷的重构均需要在高温(900-1200K)进行，输入输出能量不匹配。而光化学还原的效率小于1%，最大效率仅为4.5%，反应选择性及效率均限制了其应用。CO2的无机转化易形成CaCO3废弃物。生物转化CO2反应器仍处于探索阶段。电化学还原易使分子结构稳定的CO2形成激发态CO2阴离子，进一步生产甲酸、甲醇、乙醇、甲烷等高附加值的有机产品，其过程的能源利用效率高，目前已成为研究的重点。与其他CO2转化利用路线相比，电化学转化颇具吸引力。电化学CO2转化一方面可以通过控制不同的阴极还原电位和催化剂从而得到不同的产物；另外反应无需在高温高压下进行，所以对反应装置要求低，体系简单，造价低廉，操作条件温和。同时，CO2电化学转化可望有效的利用风能、太阳能等可再生能源作为电解电源，作为新型的储能方式。
目前国内外在研究CO2电化学还原问题主要集中在CO2电化学基础研究，电化学反应器是CO2转换的关键技术。反应器和系统研究均处于起步阶段，在反应器方面多采用槽式电解池，传统的槽式电解池效率低下，通量小，不利于产业化。中国发明专利200810058225.7公开了 CO2在离子液体中的电化学还原方法和装置。在该电化学反应装置中的阴极室内注入离子液体，并通入CO2，在阳极双极板内侧通入氢气，氢气在阳极上被氧化，生成质子穿过质子交换膜到达阴极，电子则通过外电路转移到阴极，CO2和质子在阴极上发生电化学还原反应，生成甲醇等有机化合物，生成的有机化合物经精馏，得到甲醇、水和其他副反应产物。但该专利使用的离子液体价格高、不稳定并与产物分离困难，另外还需要加入氢气原料，导致电化学还原CO2的性价比较低，而且阴极为液相环境、阳极为气相环境，两极间存在较大压差，反应装置无法放大生产。中国发明专利201010266161公开了一种能通过电化学还原CO2制取甲醇的空气扩散电极的制备方法。该方法包括在亲水性导电的碳布上涂覆聚四氟乙烯憎水透气层，然后在该碳布上再沉积一层活性催化剂。活性催化剂层的成分主要包括氧化铜、氧化钌以及氧化铜和其它金属氧化物的复合物或者氧化钌和其它金属氧化物的复合物。该涂覆了聚四氟乙烯和催化剂活性层的空气扩散电极能够将CO2通过电化学还原制成甲醇。但该方案的空气扩散电极对催化剂利用率和产率均较低。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种较高转化率以及能量循环利用率的二氧化碳电化学还原转化的方法。—种二氧化碳电化学还原转化利用的方法，包括以下步骤:提供一膜反应器，该膜反应器包括一燃料电池；一腔体；一电解质隔膜设置在该腔体中，并将该腔体分隔为阴极室以及阳极室；一阳极设置在所述阳极室内，以及一阴极设置在所述阴极室内；将阴极电解液以及二氧化碳持续并流通入所述膜反应器的阴极室，同时将所述阳极电解液以及阳极活性物质持续通入所述膜反应器的阳极室；利用所述燃料电池在该膜反应器的阴极与阳极之间提供电解电压以分解二氧化碳，并获得预期产物，该预期产物包括氢气及氧气；以及将所述氢气以及氧气作为燃料电池的燃料通入燃料电池反应产生电能。相较于现有技术，本发明实施例提供的二氧化碳电化学还原转化的方法中，二氧化碳与所述阴极电解液持续且并流通入阴极室内反应，从而可大通量、连续地处理二氧化碳，此外，由于预期产物氢气以及氧气均可循环利用，从而二氧化碳转化过程中可提高能量的循环利用率。
图1为本发明实施例提供的二氧化碳电化学还原转化的方法中使用的膜反应器的剖面正视结构示意图。图2为本发明实施例提供的二氧化碳电化学还原转化的方法中使用的具有燃料电池的膜反应器的剖面正视结构示意图。图3为本发明实施例提供的二氧化碳电化学还原转化的方法中使用的膜反应器的阴极正视结构示意图。图4为本发明实施例提供的二氧化碳电化学转化利用方法的流程图。主要元件符号说明
权利要求
1.一种二氧化碳电化学还原转化利用的方法，包括以下步骤: 提供一膜反应器，该膜反应器包括: 一燃料电池； 一腔体； 一电解质隔膜设置在该腔体中，并将该腔体分隔为阴极室以及阳极室； 一阳极设置在所述阳极室内；以及 一阴极设置在所述阴极室内； 将阴极电解液以及二氧化碳持续并流通入所述膜反应器的阴极室，同时将所述阳极电解液以及阳极活性物质持续通入所述膜反应器的阳极室； 利用所述燃料电池在该膜反应器的阴极与阳极之间提供电解电压以分解二氧化碳，并获得预期产物，该预期产物包括氢气及氧气；以及 将所述氢气以及氧气作为燃料电池的燃料通入燃料电池反应产生电能。
2.如权利要求1所述的二氧化碳电化学还原转化利用的方法，其特征在于，所述阴极为一滴流床结构，包括一多孔导电支撑层，以及设置在该多孔导电支撑层上的阴极催化剂。
3.如权利要求2所述的二氧化碳电化学还原转化利用的方法，其特征在于，所述阴极电解液以滴流的方式流经所述阴极催化剂表面，且所述二氧化碳以连续流动的方式流经所述阴极催化剂表面，所述阴极电解液以及二氧化碳在该阴极催化剂表面发生三相电化学还原反应。`
4.如权利要求1所述的二氧化碳电化学还原转化利用的方法，其特征在于，进一步包括将所述二氧化碳增压后通入所述阴极室。
5.如权利要求1所述的二氧化碳电化学还原转化利用的方法，其特征在于，所述电解电压为2伏至5伏。
6.如权利要求1所述的二氧化碳电化学还原转化利用的方法，其特征在于，所述预期产物进一步包括甲酸或甲酸盐。
7.如权利要求1所述的二氧化碳电化学还原转化利用的方法，其特征在于，进一步包括将所述阴极室内反应后剩余的所述阴极电解液回收并通入所述阴极室中循环利用。
8.如权利要求1所述的二氧化碳电化学还原转化利用的方法，其特征在于，进一步包括回收阴极室内反应后剩余的所述阳极电解液并通入所述阳极室中循环利用。
9.如权利要求1所述的二氧化碳电化学还原转化利用的方法，其特征在于，进一步包括将所述氢气以及氧气在所述燃料电池中反应产生的水补给到所述阴极电解液或阳极电解液中。
10.如权利要要求I所述的二氧化碳电化学还原转化利用的方法，其特征在于，所述阴极室内的反应温度为20°c至90°C。
11.如权利要求1所述的二氧化碳电化学还原转化利用的方法，其特征在于，所述阴极电解液的PH值大于等于7。
全文摘要
本发明涉及一种二氧化碳电化学还原转化利用的方法，包括以下步骤提供一膜反应器，该膜反应器包括一燃料电池；一腔体；一电解质隔膜设置在该腔体中，并将该腔体分隔为阴极室以及阳极室；一阳极设置在所述阳极室内，以及一阴极设置在所述阴极室内；将阴极电解液以及二氧化碳持续并流通入所述膜反应器的阴极室，同时将所述阳极电解液以及阳极活性物质持续通入所述膜反应器的阳极室；利用所述燃料电池在该膜反应器的阴极与阳极之间提供电解电压以分解二氧化碳，并获得预期产物，该预期产物包括氢气及氧气；以及将所述氢气以及氧气作为燃料电池的燃料通入燃料电池反应产生电能。该方法具有较好的二氧化碳转化效率以及能量循环利用率。
文档编号C25B9/06GK103160849SQ201110411708
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者王诚, 赵晨辰, 刘志祥, 郭建伟, 何向明 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司