[发明专利]二氧化碳的电化学转化系统

说明书

提供了一种二氧化碳的电化学转化系统，其包括：还原电极单元，其接收二氧化碳并且包括含金属的电极；氧化电极单元，其包括牺牲电极；和电解质单元，其包括非质子极性有机溶剂和辅助电解质，并与所述还原电极单元和所述氧化电极单元接触，其中供应到所述还原电极单元的二氧化碳被电化学还原以产生草酸盐。

技术领域

本公开涉及一种二氧化碳的电化学转化系统，其中二氧化碳被电化学还原以产生草酸盐。

背景技术

近年来，由于温室效应导致异常天气现象恶化并造成严重危害，因此，正在进行全球努力和研究以减少大气中二氧化碳的排放。1990年至2012年美国二氧化碳排放量最高的来源是发电厂(32％)、交通运输(28％)和工业(20％)。因此，一直在尝试捕集并减少从诸如发电厂的大量排放源排放的二氧化碳，从而维持大气中二氧化碳的浓度。这些研究大致可分为两个领域：来自大量二氧化碳排放源的二氧化碳的碳捕集和储存(CCS)以及来自大量二氧化碳排放源的二氧化碳的碳捕集和利用(CCU)。

CCS技术被设计成捕集从大量二氧化碳排放源排放的二氧化碳并将二氧化碳封装和埋藏在有限空间中以从大气中分离二氧化碳。二氧化碳主要通过无机催化剂的碳酸化储存，并且限制二氧化碳的容器储存在深海地层中和地球表面下，这可能对生态系统等造成危害。因此，很难将CCS技术商业化。相比之下，CCU技术不仅不需要任何储存空间而且产生利润，因此，在环境和经济方面有利于商业化。特别地，电化学方法可以根据电极材料的选择有选择性地生产各种有机化合物，例如甲酸、一氧化碳、甲醇、草酸等，并且可以在常温常压下进行。因此，该系统可以低成本配置，并且可以根据反应器的设计被容易地小型化，或者通过堆叠被容易地设计成具有大容量，因此由于其适用于各种工业而受到关注。

牙科用汞齐电极是由汞、锡、银和铜构成的合金材料，并且是一种在电化学转化二氧化碳中显示出高选择性和稳定性的电极材料。由于牙科用汞齐电极在水溶液中具有高的氢还原反应过电压，因此其可以高效地将二氧化碳转化为甲酸并且生成甲酸，同时在某些条件下在100mA/cm²的电流密度下在一个月内保持90％或更大的效率。

草酸主要通过酸化含有草酸盐(C₂O₄^2-)的树皮或在金属催化剂存在下氧化碳水化合物或葡萄糖来制备。草酸主要用作抛光剂、家用清洁剂、防锈剂(清漆)等，并且在世界范围内以每年约12,000吨的量生产。将二氧化碳电化学转化为C₂O₄^2-是与诸如一氧化碳、甲酸等二电子的反应，因此与甲醇(六电子)，甲烷(八电子)等相比需要较低成本的电力，使用单个电池，因此需要低的装置配置成本，并且可以重复使用电解质，因此是环保的。虽然它的市场比其他转化产品小，但如果使用电化学方法，二氧化碳是地球上最丰富的碳源。因此，由于原材料成本低且生产成本低，因此被认为是传统工艺的替代方案。

同时，早期的研究发现，使用二甲基甲酰胺(DMF)(一种非质子有机溶剂)作为电解质，用铅(Pb)和汞(Hg)电极可以将二氧化碳还原为C₂O₄^2-[E Lamy,J.Electroanal.Chem.(1977)78,403-407]。基于上述研究，开发了使用牺牲锌阳极作为对电极并沉淀ZnC₂O₄来生产草酸锌(ZnC₂O₄)的方法，并且由于ZnC₂O₄不溶于非质子有机溶剂，因此可以有效地分离C₂O₄^2-[Weixin Lv,J.Solid State Electrochem.(2013)17,2789-2794]。在二氧化碳还原系统中，使用铅(Pb)板电极(1cm²)、牺牲锌阳极(1cm²)、Ag棒(准参比电极)、乙腈和四丁基高氯酸铵(TBAP)分别作为工作电极、对电极、参比电极、溶剂和辅助电解质。