專(zhuān)利名稱(chēng)：二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法。
背景技術(shù)：
以化石能源為核心的資源枯竭問(wèn)題和以氣候變化為核心的環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)前人類(lèi)面臨的兩大危機(jī)。自工業(yè)革命以來(lái)的上百年里，大量使用化石能源導(dǎo)致其資源短缺，對(duì)環(huán)境也產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響，以地球變暖為核心的全球環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，已經(jīng)成為威脅人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一，削減溫室氣體排放以減緩氣候變化成為當(dāng)今國(guó)際社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。大量含碳能源的消耗加快了CO2排放速度，打破了自然界CO2循環(huán)的平衡，造成CO2在大氣中的積累，一方面形成溫室效應(yīng)引起氣候變化，另一方面造成了碳源流失。利用可再生能源將CO2轉(zhuǎn)化成含碳的化工原料或燃料則是實(shí)現(xiàn)能源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵課題。資源化利用CO2主要可通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化、光化學(xué)還原、電化學(xué)或化學(xué)還原、生物轉(zhuǎn)化、CO2與甲烷的重構(gòu)、CO2的無(wú)機(jī)轉(zhuǎn)化方面進(jìn)行。其中化學(xué)轉(zhuǎn)化、CO2與甲烷的重構(gòu)均需要在高溫(900-1200K)進(jìn)行，輸入輸出能量不匹配。而光化學(xué)還原的效率小于1%，最大效率僅為4.5%，反應(yīng)選擇性及效率均限制了其應(yīng)用。CO2的無(wú)機(jī)轉(zhuǎn)化易形成CaCO3廢棄物。生物轉(zhuǎn)化CO2反應(yīng)器仍處于探索階段。電化學(xué)還原易使分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的CO2形成激發(fā)態(tài)CO2陰離子，進(jìn)一步生產(chǎn)甲酸、甲醇、乙醇、甲烷等高附加值的有機(jī)產(chǎn)品，其過(guò)程的能源利用效率高，目前已成為研究的重點(diǎn)。與其他CO2轉(zhuǎn)化利用路線相比，電化學(xué)轉(zhuǎn)化頗具吸引力。電化學(xué)CO2轉(zhuǎn)化一方面可以通過(guò)控制不同的陰極還原電位和催化劑從而得到不同的產(chǎn)物；另外反應(yīng)無(wú)需在高溫高壓下進(jìn)行，所以對(duì)反應(yīng)裝置要求低，體系簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，操作條件溫和。同時(shí)，CO2電化學(xué)轉(zhuǎn)化可望有效的利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源作為電解電源，作為新型的儲(chǔ)能方式。

目前國(guó)內(nèi)外在研究CO2電化學(xué)還原問(wèn)題主要集中在CO2電化學(xué)基礎(chǔ)研究，電化學(xué)反應(yīng)器是CO2轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)。反應(yīng)器和系統(tǒng)研究均處于起步階段，在反應(yīng)器方面多采用槽式電解池，傳統(tǒng)的槽式電解池效率低下，通量小，不利于產(chǎn)業(yè)化。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利200810058225.7公開(kāi)了 CO2在離子液體中的電化學(xué)還原方法和裝置。在該電化學(xué)反應(yīng)裝置中的陰極室內(nèi)注入離子液體，并通入CO2，在陽(yáng)極雙極板內(nèi)側(cè)通入氫氣，氫氣在陽(yáng)極上被氧化，生成質(zhì)子穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子則通過(guò)外電路轉(zhuǎn)移到陰極，CO2和質(zhì)子在陰極上發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)，生成甲醇等有機(jī)化合物，生成的有機(jī)化合物經(jīng)精餾，得到甲醇、水和其他副反應(yīng)產(chǎn)物。但該專(zhuān)利使用的離子液體價(jià)格高、不穩(wěn)定并與產(chǎn)物分離困難，另外還需要加入氫氣原料，導(dǎo)致電化學(xué)還原CO2的性?xún)r(jià)比較低，而且陰極為液相環(huán)境、陽(yáng)極為氣相環(huán)境，兩極間存在較大壓差，反應(yīng)裝置無(wú)法放大生產(chǎn)。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利201010266161公開(kāi)了一種能通過(guò)電化學(xué)還原CO2制取甲醇的空氣擴(kuò)散電極的制備方法。該方法包括在親水性導(dǎo)電的碳布上涂覆聚四氟乙烯憎水透氣層，然后在該碳布上再沉積一層活性催化劑?；钚源呋瘎拥某煞种饕ㄑ趸~、氧化釕以及氧化銅和其它金屬氧化物的復(fù)合物或者氧化釕和其它金屬氧化物的復(fù)合物。該涂覆了聚四氟乙烯和催化劑活性層的空氣擴(kuò)散電極能夠?qū)O2通過(guò)電化學(xué)還原制成甲醇。但該方案的空氣擴(kuò)散電極對(duì)催化劑利用率和產(chǎn)率均較低。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，確有必要提供一種較高轉(zhuǎn)化率以及能量循環(huán)利用率的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化的方法。—種二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法，包括以下步驟:提供一膜反應(yīng)器，該膜反應(yīng)器包括一燃料電池；一腔體；一電解質(zhì)隔膜設(shè)置在該腔體中，并將該腔體分隔為陰極室以及陽(yáng)極室；一陽(yáng)極設(shè)置在所述陽(yáng)極室內(nèi)，以及一陰極設(shè)置在所述陰極室內(nèi)；將陰極電解液以及二氧化碳持續(xù)并流通入所述膜反應(yīng)器的陰極室，同時(shí)將所述陽(yáng)極電解液以及陽(yáng)極活性物質(zhì)持續(xù)通入所述膜反應(yīng)器的陽(yáng)極室；利用所述燃料電池在該膜反應(yīng)器的陰極與陽(yáng)極之間提供電解電壓以分解二氧化碳，并獲得預(yù)期產(chǎn)物，該預(yù)期產(chǎn)物包括氫氣及氧氣；以及將所述氫氣以及氧氣作為燃料電池的燃料通入燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生電能。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明實(shí)施例提供的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化的方法中，二氧化碳與所述陰極電解液持續(xù)且并流通入陰極室內(nèi)反應(yīng)，從而可大通量、連續(xù)地處理二氧化碳，此外，由于預(yù)期產(chǎn)物氫氣以及氧氣均可循環(huán)利用，從而二氧化碳轉(zhuǎn)化過(guò)程中可提高能量的循環(huán)利用率。



圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化的方法中使用的膜反應(yīng)器的剖面正視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化的方法中使用的具有燃料電池的膜反應(yīng)器的剖面正視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化的方法中使用的膜反應(yīng)器的陰極正視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的二氧化碳電化學(xué)轉(zhuǎn)化利用方法的流程圖。主要元件符號(hào)說(shuō)明
權(quán)利要求
1.一種二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法，包括以下步驟: 提供一膜反應(yīng)器，該膜反應(yīng)器包括: 一燃料電池； 一腔體； 一電解質(zhì)隔膜設(shè)置在該腔體中，并將該腔體分隔為陰極室以及陽(yáng)極室； 一陽(yáng)極設(shè)置在所述陽(yáng)極室內(nèi)；以及 一陰極設(shè)置在所述陰極室內(nèi)； 將陰極電解液以及二氧化碳持續(xù)并流通入所述膜反應(yīng)器的陰極室，同時(shí)將所述陽(yáng)極電解液以及陽(yáng)極活性物質(zhì)持續(xù)通入所述膜反應(yīng)器的陽(yáng)極室； 利用所述燃料電池在該膜反應(yīng)器的陰極與陽(yáng)極之間提供電解電壓以分解二氧化碳，并獲得預(yù)期產(chǎn)物，該預(yù)期產(chǎn)物包括氫氣及氧氣；以及 將所述氫氣以及氧氣作為燃料電池的燃料通入燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生電能。
2.如權(quán)利要求1所述的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法，其特征在于，所述陰極為一滴流床結(jié)構(gòu)，包括一多孔導(dǎo)電支撐層，以及設(shè)置在該多孔導(dǎo)電支撐層上的陰極催化劑。
3.如權(quán)利要求2所述的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法，其特征在于，所述陰極電解液以滴流的方式流經(jīng)所述陰極催化劑表面，且所述二氧化碳以連續(xù)流動(dòng)的方式流經(jīng)所述陰極催化劑表面，所述陰極電解液以及二氧化碳在該陰極催化劑表面發(fā)生三相電化學(xué)還原反應(yīng)。`
4.如權(quán)利要求1所述的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將所述二氧化碳增壓后通入所述陰極室。
5.如權(quán)利要求1所述的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法，其特征在于，所述電解電壓為2伏至5伏。
6.如權(quán)利要求1所述的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法，其特征在于，所述預(yù)期產(chǎn)物進(jìn)一步包括甲酸或甲酸鹽。
7.如權(quán)利要求1所述的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將所述陰極室內(nèi)反應(yīng)后剩余的所述陰極電解液回收并通入所述陰極室中循環(huán)利用。
8.如權(quán)利要求1所述的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括回收陰極室內(nèi)反應(yīng)后剩余的所述陽(yáng)極電解液并通入所述陽(yáng)極室中循環(huán)利用。
9.如權(quán)利要求1所述的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將所述氫氣以及氧氣在所述燃料電池中反應(yīng)產(chǎn)生的水補(bǔ)給到所述陰極電解液或陽(yáng)極電解液中。
10.如權(quán)利要要求I所述的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法，其特征在于，所述陰極室內(nèi)的反應(yīng)溫度為20°c至90°C。
11.如權(quán)利要求1所述的二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法，其特征在于，所述陰極電解液的PH值大于等于7。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的方法，包括以下步驟提供一膜反應(yīng)器，該膜反應(yīng)器包括一燃料電池；一腔體；一電解質(zhì)隔膜設(shè)置在該腔體中，并將該腔體分隔為陰極室以及陽(yáng)極室；一陽(yáng)極設(shè)置在所述陽(yáng)極室內(nèi)，以及一陰極設(shè)置在所述陰極室內(nèi)；將陰極電解液以及二氧化碳持續(xù)并流通入所述膜反應(yīng)器的陰極室，同時(shí)將所述陽(yáng)極電解液以及陽(yáng)極活性物質(zhì)持續(xù)通入所述膜反應(yīng)器的陽(yáng)極室；利用所述燃料電池在該膜反應(yīng)器的陰極與陽(yáng)極之間提供電解電壓以分解二氧化碳，并獲得預(yù)期產(chǎn)物，該預(yù)期產(chǎn)物包括氫氣及氧氣；以及將所述氫氣以及氧氣作為燃料電池的燃料通入燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生電能。該方法具有較好的二氧化碳轉(zhuǎn)化效率以及能量循環(huán)利用率。
文檔編號(hào)C25B9/06GK103160849SQ201110411708
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者王誠(chéng), 趙晨辰, 劉志祥, 郭建偉, 何向明 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司