[发明专利]一种将二氧化碳电还原为一氧化碳的多室隔膜电解方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种将二氧化碳电还原为一氧化碳的多室隔膜电解方法和装置，属于二氧化碳资源化利用技术领域。

背景技术

将二氧化碳转化为有用化学品，实现碳资源循环利用，是能源环境领域迫切需要解决的现实问题。合成气是一种应用广泛的基础化工原料，其主要成份为一氧化碳和氢气。目前，合成气主要由化石燃料进行生产，但是，化石燃料是不可再生的，而且在使用过程中还要排放出大量的二氧化碳，导致温室气体效应和全球气候变暖，因此，探索非化石燃料来源合成气的生产方法，成为一项重要的研究课题。本项发明采用二氧化碳和水为原料制备合成气，技术路线如图1所示：以可再生电能为电解电能，将二氧化碳、水电解还原为一氧化碳、氢气，然后将获得的一氧化碳和氢气混合在一起，制得合成气，所得合成气用于生产甲醇、石蜡、聚氨酯等下游化工产品。

从图1可以看出，以二氧化碳、水和可再生电能为基本要素制备合成气，需要解决的核心关键问题是：将二氧化碳连续高效地电还原为一氧化碳。

发明内容

为了将二氧化碳连续高效地电还原为一氧化碳，本发明提供了一种将二氧化碳电还原为一氧化碳的多室隔膜电解方法和装置，本发明通过以下技术方案实现。如图2所示：用全氟磺酸离子交换膜将电解池分隔成多个电极室，构成阴极室和阳极室相间排布的多室隔膜电解池，采用溶有大量二氧化碳的有机复合电解液为阴极电解液，含有支持电解质的水溶液为阳极电解液，采用对电解二氧化碳制一氧化碳具有高选择性的电极材料为阴极，惰性电极为阳极，共同构成多室隔膜电解池。电解反应过程中，水在阳极上发生氧化反应，生成氢离子和氧气，氢离子经传质过程迁移到阴极室电解液中，参与二氧化碳电还原反应，生成一氧化碳。由于二氧化碳电还原反应本身有水生成，水可以在阴极上发生电还原反应，导致阴极上有氢气生成。

所述有机复合电解液包含四种功能组份：有机溶剂、有机支持电解质、质子导电增强剂和电催化剂。

所述有机溶剂为碳酸丙烯酯、N-甲基吡咯烷酮、碳酸二乙酯中的一种或任意比例组成的混合溶剂；所述有机支持电解质为季铵盐、氯化胆碱中的一种或两种任意比例组合的混合电解质；所述质子导电增强剂为三氟甲基乙醇、甲醇和苯酚中的一种或任意比例组成的混合物；所述电催化剂为金属卟啉化合物、金属酞菁化合物、三羰基-2，4’-二联吡啶金属卤化物、咪唑类离子液体中的一种或几种任意比例混合物。

作为有机复合电解液中有机支持电解质的季铵盐，其化学结构式为：

R₁、R₂、R₃、R₄为C₁-C₅的碳氢链；X^-为CF₃SO₃^-、ClO₄^-、(CF₃SO₂)₂N^-、CF₃COO^-、H₂PO₄^-、HCO₃^-、Cl^-、HSO₄^-、Br^-；

作为有机复合电解液中有机支持电解质的氯化胆碱，其化学结构式为：

作为有机复合电解液中电催化剂的金属卟啉化合物，其化学结构式为：

M₁为铁或钴元素，R₁、R₂、R₃、R₄为氢原子或C₁-C₅的碳氢链，或苯取代基；

作为有机复合电解液中电催化剂的金属酞菁化合物，其化学结构式为：

M₂为铁、锰或铜元素；

作为有机复合电解液中电催化剂的三羰基-2，4’-二联吡啶金属卤化物，其化学结构式为：

M₃为锰或铼元素，X为Cl、Br或I，R₁、R₂为氢原子或C₁-C₅的碳氢链；

作为有机复合电解液中电催化剂的咪唑类离子液体，其化学结构式为：