利用铟氧化物电极还原二氧化碳至产物的制作方法
【专利说明】利用铟氧化物电极还原二氧化碳至产物
[0001]政府利益
本发明是在国家科学基金会授予的资助CHE-0911114下利用美国政府支持完成。美国政府具有本发明的一定权利。
技术领域
[0002]本发明总体涉及化学还原技术领域，尤其涉及一种用于二氧化碳还原至产物的方法和/或设备。
【背景技术】
[0003]在生产活动中，如发电、运输以及生产制造等，化石燃料的燃烧每年都会产生数十亿吨的二氧化碳。自二十世纪七十年代以来的研宄表明，大气中二氧化碳浓度的增加可以就是全球气候变化的原因，如海洋PH值的变化以及其它潜在的杀伤效应。世界各国，包括美国，都正在寻找减少二氧化碳排放的方法。
[0004]减排的机理是将二氧化碳转化为对经济有用的物质，比如燃料和工业化学品。如果使用再生能量源的能量转化二氧化碳，减少二氧化碳的排放和将可再生能量源转化为可以被存储以备后用的化学形态都是有可以的。电化学和光化学都是二氧化碳转化的途径。
[0005]优选实施例概述
本公开涉及一种二氧化碳的电化学还原的方法。该方法包括在电化学电池的第一隔室中引入一阳极电解液，其中该第一隔室包括一阳极。该方法还包括在所述电化学电池的第二隔室中引入一阴极电解液和二氧化碳。该方法还可包括氧化一铟阴极以产生一氧化铟阴极。该方法还包括引入所述氧化铟阴极至所述第二隔室。该方法进一步包括在所述阳极及所述氧化铟阴极之间施加一电势足以使所述氧化铟阴极将所述二氧化碳还原为一还原产物。
[0006]本公开涉及一种二氧化碳电化学还原方法。该方法包括在电化学电池的第一隔室中引入一阳极电解液，其中该第一隔室包括一阳极。该方法还包括在所述电化学电池的第二隔室中引入一阴极电解液和二氧化碳，其中该第二隔室包括一阳极氧化的铟阴极。该方法进一步包括在所述阳极及所述阳极氧化的铟阴极之间施加一电势足以使所述阳极氧化的铟阴极将二氧化碳还原为至少甲酸盐。
[0007]本公开涉及一种二氧化碳电化学还原的系统。该系统包括一电化学电池。所述电化学电池包括:第一隔室，一设置在所述第一隔室内的阳极，一第二隔室，一插在所述第一隔室和所述第二隔室之间的分离器，所述第二隔室包含一电解质，所述第二隔室内设置有一阳极氧化的铟阴极。该系统可进一步包括一能量源，其可操作地耦合所述阳极和所述阳极氧化的铟阴极，其中所述能量源被构形用以在所述阳极和所述阳极氧化的铟阴极之间施加一电压以在所述阳极氧化的铟阴极上还原二氧化碳为至少甲酸盐。
[0008]附图简要说明通过参考下列附图和所附的权利要求，本领域技术人员可更好地明白本发明的这些和其它目的、特点和优点:
图1是根据本发明优选实施例所述的系统的框图；
图2A是二氧化碳电化学还原方法一个实施例的流程图；
图2B是二氧化碳电化学还原方法另一个实施例的流程图；
图3A是铟电极在氩气及二氧化碳气体中的电流对电位的图示；
图3B是图3A所述的系统中铟电极在二氧化碳气体中峰值电流对扫描率平方根的图示;
图3C是图3A所述的系统中铟电极在其相应的二氧化碳分压后峰值电流对压力的图示;
图4A是阳极氧化的铟电极的表面扫描电子显微照片(SEM)图；
图4B是图4A中的阳极氧化铟电极的X射线光电子能谱分析图(XPS)，以结合能显示计数；
图4C是图4A中的阳极氧化铟电极的振动频谱分析图，表示透射便粉笔对波数；
图4D是图4A中的阳极氧化铟电极的X射线衍射分析图(XRD)，显示角衍射强度；
图5是各种散装电解铟的电极相对饱和甘汞电极的两个电位的法拉第效率示意图；
图6A是阳极氧化铟电极在二氧化碳氛围中进行控制电位电解后的扫描电子显微照片图像；
图6B是图6A中阳极氧化铟电极的X射线光电子能谱分析图，显示用结合能计数；
图6C是图6A中的阳极氧化铟电极的振动频谱分析曲线图，显示透射率百分比对波数；
以及
图7是电流相对于饱和甘汞电极电位的电流密度曲线图。
【具体实施方式】
[0009]依照本发明的一些实施例，提供可在水溶液中将二氧化碳转换为还原产物的电催化系统。优选实施例中采用阳极氧化的铟电极进行二氧化碳的还原。在一个优选系统中，以电极可以采用化学处理以产生阳极氧化的电极。一些实施例总体涉及将二氧化碳转化为一些还原的有机产物，譬如甲酸盐。现已经发现在低反应过电位下二氧化碳被进行有效转化。
[0010]本发明的一些实施例因此涉及一些环境友好的方法用于还原二氧化碳。该方法一般包括在水溶液中电化学还原二氧化碳，该水溶液为电解质支撑的分隔式的电化学电池，该电化学电池的一隔室包括一阳极(比如一惰性导电反电极，)且另一隔室包含一导电阴极。一阳极氧化的铟电极可以提供电催化功能以产生还原产物。
[0011]根据本发明一些实施例的流程来将二氧化碳转化为有机和/或无机产物通常具有使二氧化碳进行显著还原的电势，二氧化碳是大气中主要的温室气体，因此这有效使得减缓了全球变暖的趋势。更进一步地，一些实施例可以在不添加额外反应物的前提下生产甲酸盐及相关产物，比如在不使用额外催化剂的情况下作为一种氢源使用。
[0012]在详细解释本发明的任何实施方案之前，应该理解为下述的实施方案不能限制接下来的权利要求的范围。同样的，也应该理解为这里使用的措辞和术语是为了说明的目的而不应该被认为是限制。术语的应用，如“包含”、“由…组成”或“具有”以及各种变化都意味着包含其后列出来的内容以及其中同附加项一样的等价物。进一步的，除非有其它说明，技术术语按照传统用法使用。
[0013]在接下来描述的方法和系统中其处理步骤可以在一个范围值内进行实施，其中在这里所述的范围值一般包括从下限值到上限值之间的所述参考值(比如在(及包括)最低值和最高值之间的所有参考值的组合都视为被明确规定的允许值)。比如，如果浓度范围或者有益效果范围规定为1%到50%，则像2%到40%、10%到30%或者1%到3%等等数值都被视为清楚列举。以上可以是所述特别指出的一些简单示例。
[0014]根据特定电极来电化学还原二氧化碳可以产生甲酸盐及相关物的较高的法拉第效率，譬如在相对于饱和甘汞电极(SCE)约-1.6V的电势下接近70%的法拉第效率。
[0015]二氧化碳的还原可以成功有效地在一个分隔式电化学电池中实现，其中(i)隔室，包含有阳极，该阳极为惰性电极以及(ii)另一隔室，包含工作阴极。所述隔室可以是被多孔玻璃熔块或者其它离子导电桥分隔开。两个隔室内均通常设置有含有电解质的水溶液。二氧化碳气体不断鼓泡通入阴极电解液中以更好地饱和电解液，可以通过添加新的含有二氧化碳的电解质来提供，或者可以间歇或者周期性的提供至到电解槽。
[0016]有利的是，二氧化碳可以从任何来源中获取(比如化石燃料燃烧动力或者工业厂房中产生的废气流，比如地热或者天然气井或者大气本身中)。最适宜地，二氧化碳可以从浓缩电源被释放到大气中之前获得。比如，高浓缩的二氧化碳的来源可以经常伴随有5%到50%的天然气含量，并且可以存在于化石燃料燃烧发电厂的烟道气中(比如煤、天然气、石油等等)。接近纯的二氧化碳可以从水泥厂和用于工业发酵的乙醇发