[发明专利]一种高温电解CO2/H2O制备合成气系统及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温电解CO₂/H₂O转化制合成气系统及其应用，属于节能减排和CO₂资源化领域。

背景技术

CO₂是引起全球气候变化的最主要的温室气体之一。CO₂的大量排放已成为一个对未来世界格局变化产生重大影响的国际问题，如何控制CO₂的排放已被列入各国政府、联合国会议的首要议题，成为全球诸多重大问题中亟待解决的战略课题，加上二氧化碳是潜在的碳资源，因此开发相应的二氧化碳回收利用技术具有重要的战略意义。目前二氧化碳的回收转化主要集中在催化活化合成有机燃料或化工原料，如CH₄、CO+H₂、甲醇等。日本东京工业大学一研究小组于2008年研制出一种新型复合光催化剂，可利用太阳光将CO₂转化为CO，此方法为常温光催化法，光转化率极低；日本东北电力公司以铑-镁为催化剂，可使二氧化碳与氢在一定的温度与压力下混合，生成甲烷；日本东芝公司直接用燃放气与以氢为基底的乙炔混合，利用电子束或激光束激励，生产甲醇和CO。但这些反应需要在高温高压并有催化剂存在的条件下才能进行，需要配备专门的反应器，反应过程需要消耗大量的能量和动力，加之催化剂的性能较低，高温下容易失活，因此利用这种高压催化氢化法大规模转化利用二 氧化碳还有很多困难。相较于需高温高压条件较为苛刻的化学方法，近年来，反应条件较为温和且易于操作的电化学固定CO₂技术已成为CO₂资源化领域研究的热点之一。目前的CO₂电化学还原研究主要是将CO₂溶解在水溶剂和非水的有机溶剂中，但这同时也限制了其工业化应用，另外CO₂为气体分子，直接电解还原非常困难，一是需要高能耗(高电解电压)，二是电解反应非常复杂，效率和选择性差。基于此，开发一种低成本，装置简单、高效的CO₂资源化利用的方法以装置，以求得更好的经济、社会和环境效益就显得非常重要。

发明内容

本发明提供了一种系统简单、节能、低成本、高效的CO₂资源化利用方法，在低电解电压和相对低温条件下，实现CO₂/H₂O的共电解转化制取合成气，并且电解反应相对简单，反应选择性好。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种高温电解CO₂/H₂O制合成气系统，该系统包括电解单元和电加热单元，电加热单元对电解单元进行加热，电解单元由直流电源、阴极、阳极、电解池和电解质组成，其特征在于：所述电解质为熔融碳酸盐和熔融氢氧化物的混合物，或者熔融碳酸盐和熔融氧化物的混合物，或者熔融碳酸盐、熔融氢氧化物和熔融氧化物的混合物，电解中，直流电源电流在(0A-3A)区间内，电解池温度为600℃以上，电解质吸收空气中的CO₂/H₂O得以再生；优选地，所述电流为1A-2A，电解池温度为600℃～800℃；

进一步地，高温电解CO₂/H₂O制合成气的电解反应机理为：

阳极：2O^2--4e^-＝O₂

阴极：2OH^-+CO₃^2-+4e^-＝CO+H₂+4O^2-

2H⁺+CO₃^2-+4e^-＝CO+H₂+2O^2-。

进一步地，电解质为固态时，由所述电加热单元提供电解质达到完全熔融状态所需要的热能；

进一步地，所述电加热单元采用陶瓷或其他高温型电加热套，通过调节变压器负载来调控加热温度；

进一步地，所述电解单元的阴极材料为镍、铂、钛、钌、铱、钯、铁、钨、铬、铜、金、石墨或不锈钢，或上述材料中的几种形成的合金；

进一步地，所述电解单元的阳极材料为镍、铂、钛、钌、铱、钯、铁、钨、铬、铜、金、石墨或不锈钢，或上述材料中的几种形成的合金；

进一步地，所述电解池采用高纯刚玉体坩埚或高温耐腐蚀型反应器；