一种二氧化碳捕集及转化的耦合集成系统

本发明涉及用于二氧化碳捕集及电催化还原转化的低能耗方法及系统。

背景技术：

0、技术背景

1、化石燃料的大量燃烧使得空气中二氧化碳的浓度已经增长至400ppm，并带来了一系列的环境问题，如全球变暖，海洋酸化，海平面上升等。因此，将空气中过量的二氧化碳资源化的同时，降低二氧化碳的浓度成为世界各国的日益关注的焦点。

2、电催化二氧化碳还原反应可以在常温、常压下进行，并且高选择性地将二氧化碳和水还原为一氧化碳、甲酸、甲烷、乙烯、乙醇和乙酸等。因此通过电催化二氧化碳还原的方法来制备具有一定附加值的化工原料和燃料对人类的可持续发展具有重要意义。

3、目前，二氧化碳还原领域的研究热点是高效催化剂的设计和制备。但大多数的研究忽略了一个重要的问题：二氧化碳从哪来？也就是如何捕集二氧化碳。目前，国内外针对二氧化碳捕集主要采用醇胺溶液化学吸收法，其主要利用吸收塔吸收的方法产生富胺液，随后富胺液在再沸器中进行加热解吸，最终释放出高纯度的二氧化碳。该方法能耗高、水蒸气损失量大并且会产生额外的二氧化碳排放。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种高效二氧化碳捕集及电催化还原转化的方法及系统，用于解决现有二氧化碳捕集工艺中存在的能耗高、水蒸气损失量大、产生额外二氧化碳排放等问题。

2、为实现以上目的，本发明一方面涉及一种常温常压下、高效二氧化碳捕集装置。其具体技术方案如下：

3、该高效二氧化碳捕集装置首先利用双极膜电解池电解盐溶液产生高浓度的酸和碱，然后将二氧化碳气体通入碱液实现二氧化碳的捕集，进而利用产生的酸液与碱金属的碳酸氢盐/碳酸盐溶液进行复分解反应，最终释放高纯的二氧化碳气体，该双极膜电解池(由左至右)由阳极、双极膜、阴离子交换膜、阳离子交换膜、双极膜、阴极等部件组成，其中各部件间均用橡胶垫片实现密封。

4、优选地，所述阳极电极采用贵金属(铂、铱、钌)基材料或铁、钴、镍等过渡金属的复合材料；所述阴极电极采用贵金属(铂、铱、钌)基材料或铁、钴、镍等过渡金属的复合材料。更加优选地，所述阳极电极采用高效、廉价的镍铁基复合材料，所述阴极电极采用高效、稳定的镍钴磷化物。

5、优选地，所述盐溶液采用0.02mol/l-2mol/l的锂、钠、钾、铯等碱金属的硝酸盐、硫酸盐、盐酸盐或者溴酸盐的水溶液溶液。更加优选地，所述盐溶液采用2mol/l 的硫酸钾溶液。

6、优选地，所述电流密度采用0.01-5000macm-2。

7、本发明另一方面将该高效二氧化碳捕集装置与电催化二氧化碳还原装置耦联，构造了用于二氧化碳捕集及电催化还原转化的低能耗系统。

8、优选地，所述二氧化碳还原电解池采用经典的h-型电解池、流动相电解池、气相电解池。

9、优选地，所述二氧化碳还原电催化剂采用金、银、锌、锡、铋、镉、锑、铜等金属基材料，以及杂原子掺杂的碳材料。

10、与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

11、(1)本发明可用于空气中二氧化碳的有效捕集，降低空气中二氧化碳的浓度；

12、(2)本发明可以实现常温、常压下二氧化碳的捕集与转化，降低整个吸收和转换过程的能量损耗，具有较高的效率；

13、(3)本发明可以将过量二氧化碳变废为宝，生成具有一定附加值化工产品，实现废弃二氧化碳的资源化；

14、(4)本发明装置设备简单，体积小，结构紧凑，成本低，效益高。

技术特征：

1.高效二氧化碳捕集及电催化还原转化的方法及系统，其特征在于，包括二氧化碳捕集装置、释放装置和电催化二氧化碳还原装置。

2.如权利要求1所述的二氧化碳捕集装置，其特征在于，该双极膜电解池(由左至右)由阳极、双极膜、阴离子交换膜、阳离子交换膜、双极膜、阴极等部件组成，其中每两个部件间均用橡胶垫片实现密封。

3.如权利要求1所述的二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述阳极采用高效水氧化催化剂，包括贵金属基(铂、铱、钌等)材料，或者非贵金属(铁、钴、镍、铜、锰、钒)基材料；所述阴极采用高效水还原催化剂，包括贵金属基(铂、铱、钌等)材料，或者非贵金属(铁、钴、镍、钼、铜)基材料。

4.如权利要求1所述的二氧化碳捕集装置，其特征在于，所述盐溶液采用碱金属(锂、钠、钾、铯)的硫酸盐、盐酸盐、氢溴酸盐、氢碘酸盐或硝酸盐。

5.如权利要求1所述的电催化二氧化碳还原装置，其特征在于，所述电解池类型包括h-型电解池、流动相电解池、气相电解池、固体氧化物电解池。

6.如权利要求1所述的电催化二氧化碳还原装置，其特征在于，所用阴极电极采用金、银、锌、锡、铋、镉、锑、铜、单原子催化剂等具有二氧化碳催化还原活性的材料。

技术总结
本申请属于节能环保技术领域，公开了一种二氧化碳捕集及转化的耦合集成系统。本系统由双极膜制酸碱池、二氧化碳捕获池、二氧化碳释放池、二氧化碳电催化还原池组成。该系统首先通过双极膜电解池制备高浓度的酸和碱，再利用二氧化碳与碱液的反应实现二氧化碳的捕集；随后酸液和捕集了二氧化碳的溶液发生反应，释放出二氧化碳气体；最终二氧化碳气体在二氧化碳还原电解池中的电极表面被催化还原成具有一定附加值的化工产品。该方法在降低空气中二氧化碳浓度的同时，可以实现二氧化碳的资源化利用。

技术研发人员：罗景山,王莽
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15