[发明专利]用于电化学利用二氧化碳、制备碱金属碳酸盐和碱金属碳酸氢盐的电解系统和还原方法

说明书

描述了一种电解系统，其具有电解池、阳极电解质侧和阴极电解质侧的分离装置、以及用于碱金属碳酸盐和/或碱金属碳酸氢盐的沉淀装置和收取装置。使用所提出的还原方法可进行连续的二氧化碳利用并且同时进行多种化学可回收物质的制备。

本发明涉及用于电化学利用二氧化碳的还原方法和电解系统。二氧化碳被引入电解池并在阴极处被还原。

现有技术

目前世界能源需求的约80％通过化石燃料的燃烧来满足，其燃烧过程导致全球每年向大气中排放约340亿吨的二氧化碳。大部分二氧化碳通过这种向大气中的排放来处置，这例如在褐煤发电厂的情况下每天可达5万吨。二氧化碳属于对大气和气候有不利影响的所谓的温室气体。由于二氧化碳在热力学上处于非常低的位置，因此其难以被还原成可再利用的产品，这使得二氧化碳的实际再利用迄今仍停留在理论上或学术界中。

天然的二氧化碳降解例如通过光合作用进行。在此，二氧化碳在随时间的变化且在分子水平上随空间的变化被分为很多子步骤的过程中转化成碳水化合物。因此，该过程是不易大规模(工业规模)适用的。用大规模的光催化对天然光合作用过程的复制迄今为止不够有效。

另一个选择是二氧化碳的电化学还原。二氧化碳的电化学还原的系统研究仍然是一个相对较新的发展领域。只是在几年前才开始努力开发能够还原可接受的二氧化碳量的电化学系统。实验室规模的研究表明，优选使用金属作为用于电解二氧化碳的催化剂。由Y.Hori的文献“Electrochemical CO₂reduction on metal electrodes”，发表于：C.Vayenas等人(编辑)，Modern Aspects of Electrochemistry，Springer，New York，2008，第89-189页，可得知对不同金属阴极的法拉第效率，参见表1。

如果二氧化碳例如在银、金或锌阴极上还原，则几乎全部生成一氧化碳。

表1：

该表中给出了在二氧化碳还原期间在各种金属电极上生成的产物的法拉第效率[％]。所给出的值适用的情形是0.1M碳酸氢钾溶液作为电解质并且电流密度低于10mA/cm²。

例如，在银阴极上主要产生一氧化碳和很少的氢。阳极和阴极上的反应可用以下反应式表示：

阴极：2CO₂+4e^-+4H⁺→2CO+2H₂O

阳极：2H₂O→O₂+4H⁺+4e^-

此外，如表1所示，例如在铜阴极上生成大量的烃作为反应产物。特别地在经济上令人感兴趣的例如是甲烷或乙烯、乙醇或单乙二醇的电化学制备。在此，它们是比二氧化碳在能量上价值更高的产品。

乙烯:2CO₂+12e^-+8H₂O→C₂H₄+12OH^-

甲烷:CO₂+8e^-+4H₂O→CH₄+4OH^-

乙醇:2CO₂+12e^-+9H₂O→C₂H₅OH+12OH^-

单乙二醇:2CO₂+10e^-+8H₂O→HOC₂H₄OH+10OH^-

使用含氯电解质可在阳极上发生下列反应：