[发明专利]一种以双极膜为隔膜的电化学还原CO2电解池及其应用

权利要求书

1.一种以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：该电解池包括阴极电解室、阴极电解液、阳极电解室、阳极电解液和分隔阴、阳极电解室的双极膜；

所述的阴极电解室的电极为Pb、In、Cu、Sn、Ag、Hg、Fe、Co、Ni、Zn、Cd、Pt、Au、Pd、Ru、Ir、Rh、Re、Os、Ga、Ge、Cr、Sb、Bi、C中一种或两种以上的合金或其混合物；

所述的阴极电解液为氢氧化物水溶液、碳酸盐水溶液、碳酸氢盐水溶液中一种或两种以上的混合物；

所述的阳极电解室的电极为Pt、Au、Pd、Ru、Ir、Rh、Re、Os、Cu、Ag、Fe、Co、Ni、Zn、C中一种或两种以上的合金或其混合物；

所述的阳极电解液为含有碘盐和酸的水溶液；

所述的分隔阴、阳极电解室的双极膜由阴离子交换膜、阳离子交换膜复合而成或由阴离子交换膜、阳离子交换膜及置于阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的过渡层复合而成。

2.按照权利要求1所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：所述的阴极电解液中的氢氧化物水溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂中一种或两种以上的混合物；其中氢氧化物水溶液的浓度为0.5-5mol/L。

3.按照权利要求1所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：所述的阴极电解液中的碳酸盐水溶液为碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂中一种或两种以上的混合物；其中碳酸盐水溶液的浓度为0.1-3mol/L。

4.按照权利要求1所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：所述的阴极电解液中的碳酸氢盐水溶液为碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢锂中一种或两种以上的混合物，其中碳酸氢盐水溶液的浓度为0.1-3mol/L。

5.按照权利要求1所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：所述的阳极电解液中的碘盐为碘化锂、碘化钠、碘化钾中一种或两种以上的混合物，其中碘离子的浓度为0.5-5mol/L。

6.按照权利要求1所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：所述的阳极电解液中的酸为硫酸、磷酸、高氯酸、高溴酸、高碘酸、氢溴酸、氢碘酸、盐酸、硝酸、苯磺酸中的一种或两种以上混合物，其中氢离子浓度为0.5-5mol/L。

7.按照权利要求1所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：

（1）双极膜的阴离子交换膜层朝向阴极电解室，双极膜的阳离子交换膜层朝向阳极电解室；

（2）双极膜的阴离子交换膜由带有固定基团的高分子骨架构成；

（3）双极膜的阳离子交换膜由带有固定基团的高分子骨架构成。

8.按照权利要求7所述的以以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：

所述双极膜的阴离子交换膜层中的固定基团为伯氨基、仲氨基、叔氨基、季氨基、芳氨基中的一种或两种以上的混合物；

所述双极膜的阴离子交换膜层中的高分子骨架为苯乙烯和二乙烯苯的共聚物、聚砜、聚偏二氟乙烯、聚乙烯苄基氯、阴离子交换树脂、聚醚砜、二乙烯基苯和二甲氨基-丙基-异丁烯酰胺的共聚物、甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯的共聚物中的一种或两种以上的共混物。

9.按照权利要求7所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：

所述双极膜的阳离子交换膜层中的固定基团为磺酸基（-SO₃H）或磷酸基（-PO₃H₂）中的一种或两种的混合；

所述双极膜的阳离子交换膜层中的高分子骨架为苯乙烯和二乙烯苯的共聚物、丁二烯和苯乙烯的共聚物、聚苯醚、聚苯乙烯、聚醚砜、聚砜、聚醚醚酮中的一种或两种以上的共混物。

10.权利要求1所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池在电化学还原CO₂中的应用，其特征在于：

（1）向阴极电解室通入二氧化碳；

（2）接通电解电源，采用恒电流或恒电压模式进行电解，其中电流密度为10-1000A/m²，电压为0.9-6V；

（3）电解过程中发生的化学反应为：阴极电解液中的氢氧根和阳极电解液中的质子在双极膜中发生中和反应生成水，二氧化碳在阴极电解室被还原为甲酸、甲酸盐、甲醇、甲烷、一氧化碳、乙烯、乙炔、乙烷中的一种或两种以上的混合物；碘离子在阳极电解室被氧化为单质碘。