本公开涉及一种将二氧化碳转化为一氧化碳的设备和方法。
背景技术：
1、鉴于气候变化和全球变暖，将二氧化碳气体转化为有价值的产品已成为能源和环境研究的主要课题。
2、这种重新利用排放的co2，例如来自重新捕获或直接来自废气的co2，并将其转化为工业上感兴的产品的策略也称为碳捕获和利用，ccu。
3、多年来，已经开发了许多ccu方法：电化学转换、太阳能热化学转换、生化转换、光化学转换等等。这些方法中的每一种都有其优点，但它们都面临着与例如化剂不稳定性、稀有材料的使用和种植问题相关的不同困难。这些方法能够转化co2，但通常需要复杂的设置，因此投资成本很高，而且扩大规模的可能性往往有限。
4、另一种方法是气体转化方法，其中co2以气态形式使用，而不添加转化所需的非气态产物，如结合金属。
5、用于co2气体转化的已知方法是热转化，其允许二氧化碳以高转化率转化为一氧化碳。然而，热转换的主要缺点是转换效率低下。这是由于co2分子的稳定性和打破co2双键所需的大量能量所致。事实上，转化反应，co2→co+o是高度吸热的，其标准焓δh°为5.5ev/分子。为了通过热转化有效地转化co2，需要在3000°k至4000°k范围内的温度。
6、另一种有前景的co2气体转化方法是等离子体辅助的co2转化。事实上，等离子体技术允许通过例如电子碰撞解离或振动爬梯过程后的解离将co2气体直接分解为co和o。已经提出了各种类型的等离子体反应器用于基于等离子体的co2转化，例如snoeckx和bogaerts在chem.soc.rev.2017，46，5805所讨论的。
7、尽管各种类型的等离子体反应器在co2转化方面显示出有前景的结果，但为了使等离子体反应器技术在大规模应用中具有商业吸引力，仍然需要进一步的改进。尤其是，需要进一步的研究来提高转换效率，同时尽可能降低能耗，也称为能源成本。
8、因此，对于用于二氧化碳转化的替代方法和设备，存在空间。
技术实现思路
1、本公开的目的是提供一种用于将二氧化碳转化为一氧化碳的替代性的具有成本效益且简单的方法和设备，其中获得了高转化效率。
2、在所附的独立权利要求中对本发明进行限定。从属权利要求限定了有利的实施方式。
3、根据本发明的第一方面，提供了一种用于将二氧化碳转化为一氧化碳的方法。
4、在一个实施方式中，该方法包括：提供待转化的二氧化碳，产生原子氧，将二氧化碳与原子氧在混合区域中混合，使得原子氧能够与二氧化碳相互作用以通过第一co产生反应co2+o→co+o2在混合区域中形成一氧化碳，以及从混合区域排出一氧化碳。
5、在另一个实施方式中，限定原子氧的第一供应速率(so)和二氧化碳的第二供应速率(sco2)，使得：
6、r1<so/(so+sco2)<r2
7、其中r1和r2分别是预限定的下限阈值和预限定的上限阈值，其中r1≥0.1和r2≤0.9，优选r1≥0.2和r2≤0.8，更优选r1≥0.3和r2≤0.7。
8、该方法优选包括：提供待转化的二氧化碳，产生原子氧并限定原子氧的第一供应速率(so)和二氧化碳的第二供应速率(sco2)，使得：r1<so/(so+sco2)<r2，so和sco2分别是第一供应速率和第二供应速率，并且其中r1和r2分别是预限定的下限阈值和预限定的上限阈值。
9、根据本公开的方法还优选包括：将二氧化碳与原子氧在混合区域中混合，使得原子氧能够与二氧化碳相互作用以通过第一co产生反应：co2+o→co+o2在混合区域中形成一氧化碳，以及分别以第一供应速率和第二供应速率将原子氧和二氧化碳供应至混合区域中，并从混合区域排出一氧化碳。
10、本文使用的术语“排出”是指优选通过气体出口从混合区域(m-a)中“移除”、“提取”或“转移”一氧化碳的过程。
11、原子氧的第一供应速率必须解释为在混合区域中每单位时间供应的第一数量的氧原子，二氧化碳的第二供应速率必须被解释为在混合物区域中每单位时间供应的第二数量的二氧化碳分子。
12、与现有技术的二氧化碳转化方法相比，根据本公开的基于原子氧的二氧化碳转化法具有多个优点。
13、例如，本发明的方法不需要处理任何稀有材料，并且可以通过打开和关闭原子氧的产生来简单地打开和关闭转换过程，这使得该方法能够有利地与可再生能源结合使用。
14、有利的是，不向混合区域供应外部能量。唯一需要的能源是用于产生原子氧。
15、通过产生原子氧并将原子氧与待转化的二氧化碳在混合区域中一起接触，一氧化碳能够有利地通过较低能耗的转化反应：co2+o→co+o2产生，其标准焓δh°为0.3ev/分子。
16、此外，原子氧也将在混合区域复合为分子氧，从而释放能量。事实上，氧复合反应o+o→o2是高度放热反应，标准焓δh°为-5.2ev/分子，因此，即使最初从室温的混合区域开始，混合区域的温度也会在小于一毫秒的时间内迅速升高至数百开尔文的温度，从而允许上述吸热的co2转化反应发生。
17、通过控制原子氧供应速率和待转化的二氧化碳供应速率之间的比率，如本专利所要求的，可以控制氧复合反应的发生，因此能够控制混合区域的温度。有利的是，通过控制原子氧供应速率和二氧化碳供应速率，混合室内的温度tm可以保持为低于2500°k，例如800°k≤tm≤2500°k。通过这种方式，未达到约3000°k的co2热转化极限，并且与具有低得多的标准焓的第一co2转化反应相比，抑制了另一co2转化反应：co2+m→co+o+m，其中标准焓δh°为5.5ev/分子，m为任何中性分子。
18、根据本发明的第二方面，提供一种用于将二氧化碳转化为一氧化碳的设备。该设备包括用于产生原子氧的原子氧发生器；混合区域，其配置为用于其将产生的原子氧与待转化的二氧化碳混合使得当设备工作时，原子氧能够与二氧化碳在混合区域中相互作用以通过第一反应：co2+o→co+o2形成一氧化碳；二氧化碳供应器，其配置为用于将待转化的二氧化碳供应至混合区域；控制装置，其配置为用于控制供应至混合区域的原子氧的第一供应速率，并控制供应至该混合区域的二氧化碳的第二供应速率；和气体出口，其配置为用于从混合区域中排出一氧化碳。
19、由于独立的设备权利要求的主题允许实现独立方法权利要求中规定的二氧化碳转化方法，因此上述方法的优点也适用于该设备。
1.一种用于将二氧化碳转化为一氧化碳的方法，所述方法包括：
2.如权利要求1所述的方法，其中r1≥0.1和r2≤0.9，优选r1≥0.2和r2≤0.8，更优选r1≥0.3和r2≤0.7。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中在混合区域(m-a)中通过以下复合反应产生热量：
4.如权利要求3所述的方法，其中通过控制第一供应速率和第二供应速率使得第一供应速率和第二供应速率之间的比率保持在预限定的下限阈值和上限阈值内来获得混合区域中的所述气体温度(tm)。
5.如权利要求3或权利要求4所述的方法，所述方法包括
6.如权利要求1或权利要求2所述的方法，所述方法包括：
7.如前述权利要求中任一项所述方法，所述方法包括：
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括：
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述原子氧作为原子氧和分子氧的组合供应至混合区域中，并且其中所述方法包括：
10.一种用于将二氧化碳转化为一氧化碳的设备(100)，所述设备包括：
11.如权利要求10所述的设备，所述设备包括加热和/或冷却装置，其配置为用于加热和/或者冷却所述混合区域(m-a)，以将混合区域中的气体温度(tm)保持为等于在最大裕量内的最佳温度值(tm-opt)，其中最大裕量为15％，优选最大裕量为10％，更优选最大裕量为5％，使得：
12.如权利要求10或权利要求11所述的设备，其中所述气体出口(43)和/或连接至气体出口(43)的泵的尺寸配置为将所述混合区域(m-a)中的气体压力(pm)保持在压力限制内，使得
13.如权利要求12所述的设备，其中所述混合区域(m-a)的体积和所述气体出口(43)和/或所述泵的所述尺寸配置为允许原子氧和二氧化碳分子在长于0.1毫秒、优选长于0.5毫秒、更优选长于1毫秒的最小时间段内在混合区域中相互作用。
14.如权利要求10至13中任一项所述的设备，其中所述原子氧发生器(10)配置为用于将分子氧转化为原子氧，并且其中所述原子氧发生器包括其中将分子氧转化为原子氧的氧转化区域(12)和用于将分子氧供应至氧转化区域(12)的氧供应器(11)，优选控制装置(30)配置为通过控制通过所述氧供应器(11)供应的分子氧的第三供应速率(so2)来间接控制所述原子氧的第一供应速率(so)。
15.如权利要求14所述的设备，其中所述控制装置(30)配置为通过使用供应至氧转化区域(12)的分子氧和氧转化区域(12)中产生的原子氧之间的预限定关系来控制原子氧的所述第一供应速率。