一种电热协同催化二氧化碳转化的反应装置及方法

本发明涉及二氧化碳转化，尤其涉及一种电热协同催化二氧化碳转化的反应装置及方法。

背景技术：

1、二氧化碳是大气中含量最多的温室气体，约占大气总量的0.03％。回顾过去三十年的全球co2的排放量，从1990年的205亿吨增加到2020年的315亿吨，增幅超过50％。相应地，大气中co2浓度到2020年达到了412ppm，比安全上限350ppm高出18％。为了减缓二氧化碳在大气中的含量，当下亟需开发先进的技术来减少大气中co2浓度。目前可行的策略主要包括：减少co2的排放，存储co2，转化co2。从源头上减少co2的排放需要工业生产进行绿色改革，与这两者相比，将co2转化为c1化学品甚至多碳产物，不仅可以减少大气中co2的浓度，而且还可以为能源领域提供新的燃料供给，将是一种更有前途的清洁解决方案。

2、近年来，co2转化技术主要集中在生物转化和化学转化。由于生物转化co2是利用或模拟植物的光合作用和微生物的自养作用，所以co2转化效率和速率有限、能量消耗过多且应用范围窄。相比之下，化学转化co2是通过设计催化器件和选取催化剂等条件达到高的转化率和选择性，成为当下研究的热点。化学转化主要是通过化学还原反应将co2转化为单碳(一氧化碳、甲醇、甲酸等)和多碳类的碳氢化合物和含氧化合物，主要分为电催化还原、热催化还原、光电化学还原。

3、但目前传统的单一热或电催化还原co2仍然面临产物的选择性低、催化剂稳定性差、反应能耗大等实际问题，成为制约co2转化技术的瓶颈。基于目前单一热或电催化还原co2存在的问题，有必要对此进行改进。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种电热协同催化二氧化碳转化的反应装置及方法，以解决或至少部分解决现有技术中存在的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，包括：

3、二氧化碳反应气供气单元，其用于提供二氧化碳反应气；

4、反应管，其内设有热阻丝，所述热阻丝表面设有催化剂，所述反应管上开设有进气口，所述二氧化碳反应气供气单元与所述进气口连通；

5、电压控制单元，所述热阻丝两端穿出所述反应管后与所述电压控制单元电连接，所述电压控制单元控制流经热阻丝的电流强度；

6、温度控制单元；

7、其中，所述热阻丝两端穿出所述反应管后与所述温度控制单元电连接，所述温度控制单元用于控制所述热阻丝加热；

8、或，所述反应管上设有加热部件，所述温度控制单元与所述加热部件电连接，所述温度控制单元用于控制所述加热部件加热。

9、优选的是，所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，还包括：

10、载气供气单元，其用于提供载气；

11、气体混合罐，所述二氧化碳反应气供气单元、载气供气单元均与所述气体混合罐连通，所述气体混合罐用于使二氧化碳反应气、载气混合，所述气体混合罐与所述进气口连通。

12、优选的是，所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，所述二氧化碳反应气供气单元包括：

13、二氧化碳供气罐，其通过二氧化碳气体管道与所述气体混合罐连通；

14、甲烷供气罐，其通过甲烷气体管道与所述气体混合罐连通；

15、氢气供气罐，其通过氢气管道与所述气体混合罐连通；

16、氨气供气罐，其通过氨气管道与所述气体混合罐连通。

17、优选的是，所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，所述载气供气单元包括：载气供气罐，所述载气供气罐通过载气管道与所述气体混合罐连通；所述载气包括氩气、氦气、氮气中的至少一种。

18、优选的是，所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，所述二氧化碳气体管道、甲烷气体管道、氢气管道、氨气管道、载气管道上均设有压力表、开关阀、气体流量计。

19、优选的是，所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，还包括温度监测单元，所述温度监测单元与所述温度控制单元电连接，所述温度监测单元用于监测催化剂的温度。

20、优选的是，所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，所述反应管外还罩设有保护罩，所述保护罩用于对反应管进行保温；

21、所述热阻丝呈直线形或螺旋弯曲形；所述加热部件为缠绕在所述反应管外周的加热带；

22、所述热阻丝与所述电压控制单元电连接的电路上还设有保护电阻。

23、优选的是，所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，所述反应管上还开设有出气口；所述反应管外周还设有保温带。

24、第二方面，本发明还提供了一种电热协同催化二氧化碳转化的反应方法，包括以下步骤：

25、提供所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置；

26、二氧化碳反应气经进气口进入反应管；

27、通过电压控制单元控制流经热阻丝的电流强度；

28、通过温度控制单元控制热阻丝的温度；

29、二氧化碳反应气在催化剂、热阻丝的电流强度以及温度的共同作用下发生反应。

30、优选的是，所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应方法，所述进气口气体的流量为10～200ml/min；

31、所述电压控制单元的输出电压为直流电压，所述电压控制单元的输出电压强度为0～48v；

32、所述温度控制单元控制热阻丝的温度为25～800℃。

33、本发明的一种电热协同催化二氧化碳转化的反应装置及方法、相对于现有技术具有以下技术效果：

34、本发明的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，包括电压控制单元和温度控制单元，通过电压控制单元控制流经热阻丝的电流强度，通过温度控制单元控制热阻丝的温度；反应时二氧化碳反应气经过反应管的进气口进入反应管内，同时调控热阻丝表面催化剂所处的电场强度以及所处的温度(即热场)，使催化剂同时暴露在电场和热场环境中，加速催化剂表面电子的传递和迁移，有助于二氧化碳催化反应的进行，具有反应温度低、产物选择性高，能耗低的优点；电场可以降低催化还原所需的反应温度，能够激发热电子的产生，在催化反应过程中氢气或甲烷或氨气的裂解和co2的c＝o键的断裂和重构，吸附的中间体在电场和热电子的作用下可以起到过渡的作用，参与到催化还原反应中，实现二氧化碳的循环经济利用和转化。

技术特征：

1.一种电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，其特征在于，还包括：

3.如权利要求2所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，其特征在于，所述二氧化碳反应气供气单元包括：

4.如权利要求3所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，其特征在于，所述载气供气单元包括：载气供气罐，所述载气供气罐通过载气管道与所述气体混合罐连通；所述载气包括氩气、氦气、氮气中的至少一种。

5.如权利要求4所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，其特征在于，所述二氧化碳气体管道、甲烷气体管道、氢气管道、氨气管道、载气管道上均设有压力表、开关阀、气体流量计。

6.如权利要求1至5中任一项所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，其特征在于，还包括温度监测单元，所述温度监测单元与所述温度控制单元电连接，所述温度监测单元用于监测催化剂的温度。

7.如权利要求1至5中任一项所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，其特征在于，所述反应管外还罩设有保护罩，所述保护罩用于对反应管进行保温；

8.如权利要求1至5中任一项所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，其特征在于，所述反应管上还开设有出气口；所述反应管外周还设有保温带。

9.一种电热协同催化二氧化碳转化的反应方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.如权利要求9所述的电热协同催化二氧化碳转化的反应方法，其特征在于，所述进气口气体的流量为10～200ml/min；

技术总结
本发明提供了一种电热协同催化二氧化碳转化的反应装置及方法。本发明的电热协同催化二氧化碳转化的反应装置，包括电压控制单元和温度控制单元，通过电压控制单元控制流经热阻丝的电流强度，通过温度控制单元控制热阻丝的温度；反应时同时调控热阻丝表面催化剂所处的电场强度以及所处的温度，使催化剂同时暴露在电场和热场环境中，加速催化剂表面电子的传递和迁移，有助于二氧化碳催化反应的进行，具有反应温度低、产物选择性高，能耗低的优点；电场可以降低催化还原所需的反应温度，能够激发热电子的产生，吸附的中间体在电场和热电子的作用下可以起到过渡的作用，参与到催化还原反应中，实现二氧化碳的循环经济利用和转化。

技术研发人员：张小龙,熊菊霞,成会明
受保护的技术使用者：中国科学院深圳先进技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12