二氧化碳催化转化方法及系统与流程

本公开涉及二氧化碳催化，尤其涉及一种二氧化碳催化转化方法及系统。

背景技术：

1、目前，在我国的能源结构中，产生碳排放的化石能源占比84％，非化石能源占比16％。因此，将化石能源使用过程中排放的二氧化碳作为一种碳资源，转化为人类必须的碳基产品，以减少二氧化碳的排放成为当下热门研究方向。

2、现有的二氧化碳催化转化工艺，其阴极侧发生二氧化碳还原反应，阳极侧发生析氧反应，整体电解池池压高、电耗大，二氧化碳还原反应过程经济性差。尤其是阳极侧析氧反应需要较高的过电势，从而使得反应过程中能源消耗过高，经济效益差。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种二氧化碳催化转化方法及系统。

2、本公开提供了一种二氧化碳催化转化方法，包括如下步骤：

3、1)在二氧化碳催化模块的阴极反应区通入二氧化碳和水，进行二氧化碳还原反应；所述二氧化碳还原反应产生的氢氧根离子通过阴离子交换膜进入所述二氧化碳催化模块的阳极反应区；

4、2)在所述二氧化碳催化模块的所述阳极反应区通入氢气和水，进行氢气氧化反应；

5、3)所述阴极反应区反应后的气体产物排出后，经阴极产物循环模块重新进入所述阴极反应区；

6、4)所述阳极反应区反应后的氢气和水排出后，经阳极产物循环模块重新进入所述阳极反应区。

7、可选的，还包括：所述阴极反应区反应后的产物经所述阴极气液分离器分离，将分离后的液相产物排出，将分离后的所述气体产物经所述阴极产物循环模块重新进入所述阴极反应区；

8、所述阳极反应区反应后的产物经所述阳极气液分离器分离，将分离后的水通入加湿混合器，将分离后的氢气经所述阳极产物循环模块通入所述加湿混合器，混合后通入所述阳极反应区。

9、本公开还提供了一种应用上述二氧化碳催化转化方法的二氧化碳催化转化系统，包括二氧化碳催化模块，所述二氧化碳催化模块连接有供电系统，所述二氧化碳催化模块用于对二氧化碳进行还原反应，所述供电系统用于对所述二氧化碳催化模块提供能源；

10、所述二氧化碳催化模块包括反应单元，所述反应单元包括电极板，所述电极板上设有阴极反应区和阳极反应区，所述阴极反应区和所述阳极反应区之间设有阴离子交换膜；

11、所述阴极反应区通入二氧化碳和水，使二氧化碳进行还原反应；所述阴极反应区反应产生的氢氧根通过阴离子交换膜进入阳极反应区，所述阳极反应区通入氢气和水，使所述氢气发生氢气氧化反应。

12、可选的，所述阴极反应区包括阴极气体扩散层和阴极催化剂层；所述阳极反应区包括阳极气体扩散层和阳极催化剂层；

13、所述阴极催化剂层和所述阳极催化剂层分别设置在所述阴离子交换膜的两侧，所述阴极气体扩散层设置在所述阴极催化剂层远离所述阴离子交换膜的一侧，所述阳极气体扩散层设置在所述阳极催化剂层远离所述阴离子交换膜的一侧；所述二氧化碳和水在所述阴极催化剂层发生二氧化碳还原反应，所述氢气和水在所述阳极催化剂层发生氢气氧化反应；所述供电系统包括风能发电装置或太阳能发电装置。

14、可选的，所述电极板为石墨板，所述电极板上设有流道，所述流道包括阴极侧流道和阳极侧流道，所述阴极侧流道位于所述阴极气体扩散层的外侧，所述阳极侧流道位于所述阳极气体扩散层的外侧，所述流道一端设有反应物入口，另一端设有反应物出口；

15、所述阴极侧流道的所述反应物入口通入二氧化碳和水，并通过所述阴极气体扩散层扩散至所述阴极催化剂层发生二氧化碳还原反应，并将反应产物经所述阴极侧流道的所述反应物出口排出；所述阳极侧流道的所述反应物入口通入氢气和水，并通过所述阳极扩散层扩散至所述阳极催化剂层发生氢气氧化反应，并将反应产物经所述阳极侧流道的所述反应物出口排出；

16、所述阴极侧流道和所述阳极侧流道的长度均大于所述阴离子交换膜的长度，所述阴极侧流道和所述阳极侧流道均为蛇型结构、u型结构或混合型结构。

17、可选的，所述二氧化碳催化转化系统还包括阴极产物循环模块和阳极产物循环模块；

18、所述阴极产物循环模块的入口与所述阴极侧流道的所述反应物出口连通，所述阴极产物循环模块的出口与所述阴极侧流道的所述反应物入口连通，所述阴极产物循环模块上还设有反应产物出口；

19、所述阳极产物循环模块的入口与所述阳极侧流道的所述反应物出口连通，所述阳极产物循环模块的出口与所述阳极侧流道的所述反应物入口连通。

20、可选的，所述二氧化碳催化转化系统还包括阴极冷却器和阳极冷却器；

21、所述阴极冷却器设置在所述二氧化碳催化模块与所述阴极产物循环模块之间，所述阴极冷却器的入口与所述阴极侧流道的所述反应物出口连通，所述阴极冷却器的出口与所述阴极产物循环模块的入口连通；

22、所述阳极冷却器设置在所述二氧化碳催化模块与所述阳极产物循环模块之间，所述阳极冷却器的入口与所述阳极侧流道的所述反应物出口连通，所述阳极冷却器的出口与所述阳极产物循环模块的入口连通。

23、可选的，所述二氧化碳催化转化系统还包括阴极气液分离器和阳极气液分离器；所述阴极气液分离器和所述阳极气液分离器均包括气体出口和液体出口；

24、所述阴极气液分离器设置在所述阴极冷却器和所述阴极产物循环模块之间，所述阴极冷却器的出口与所述阴极气液分离器的入口连通，所述阴极气液分离器的所述气体出口和所述阴极产物循环模块的入口连通；

25、所述阳极气液分离器设置在所述阳极冷却器和所述阳极产物循环模块之间，所述阳极冷却器的出口与所述阳极气液分离器的入口连通，所述阳极气液分离器的所述气体出口和所述阳极产物循环模块的入口连通。

26、可选的，所述二氧化碳催化转化系统还包括干燥器、二氧化碳缓存罐和脱硫罐；

27、所述干燥器设置在所述阴极气液分离器和所述阴极产物循环模块之间，所述阴极气液分离器、所述干燥器和所述阴极产物循环模块依次连通；

28、所述二氧化碳缓存罐用于存储待还原的二氧化碳，所述二氧化碳缓存罐的出口与所述脱硫罐的入口连通，所述脱硫罐的出口与所述阴极侧流道的所述反应物入口连通。

29、可选的，所述二氧化碳催化转化系统还包括加湿混合器和氢气缓存器；

30、所述氢气缓存器用于存储氢气，所述氢气缓存器的出口与所述加湿混合器的入口连通，所述加湿混合器上还设有注水口，所述阳极气液分离器的所述液体出口与所述加湿混合器的所述注水口连通，所述加湿混合器的出口与所述阳极侧流道的所述反应物入口连通。

31、本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

32、本公开的二氧化碳催化转化方法及系统，通过设置反应单元，并且反应单元包括电极板，在电极板上设置阴极反应区和阳极反应区，阴极反应区和阳极反应区之间设置阴离子交换膜。通过阴极反应区通入二氧化碳和水，使二氧化碳进行还原反应；阴极反应区反应产生的氢氧根通过阴离子交换膜进入阳极反应区，阳极反应区通入氢气和水，使氢气发生氢气氧化反应。由此，实现了二氧化碳高效转化的同时，降低了阴极和阳极两侧过电势及整体池压，节省电能消耗、提高系统能效。同时避免了阳极侧的强氧化环境、避免了材料电极等的氧化腐蚀、增加了材料及系统的运行稳定性。