[发明专利]将CO2电化学还原成化学有用物质的具有离子传输树脂的气体扩散电极的制备

说明书

本发明涉及一种气体扩散电极，包括选自Ag、Au、Cu、Pd及其混合物和/或合金和/或盐的金属M和至少一种粘合剂，其中所述气体扩散电极包含亲水和疏水的孔和/或通道，其中在气体扩散电极的孔和/或通道中至少部分包含离子传输材料和/或在气体扩散电极的表面上至少部分地施加离子传输材料；本发明还涉及用于制备所述气体扩散电极的方法，所述气体扩散电极在还原CO₂和/或CO中的用途，以及各自包括所述气体扩散电极的电解池和电解系统。

本发明涉及一种气体扩散电极，其包括选自Ag、Au、Cu、Pd及其混合物和/或合金和/或盐的金属M和至少一种粘合剂，其中所述气体扩散电极包含亲水和疏水的孔和/或通道，其中在气体扩散电极的孔和/或通道中至少部分包含离子传输材料和/或在气体扩散电极的表面上至少部分地施加离子传输材料；本发明还涉及该气体扩散电极的制备方法，该气体扩散电极在CO₂和/或CO还原中的用途，以及相应地包含该气体扩散电极的电解池和电解系统。

现有技术

这里描述的现有技术是基于发明人的知识，并不一定构成从文献中已知的现有技术，因此在下面的现有技术描述中也可能存在不仅可来自所引用的文献，而且还可基于发明人的进一步扩展设计的段落，因此不一定构成普通现有技术。

如今，全球大约80％的能源需求都被燃烧化石燃料所覆盖，其燃烧过程导致向大气中全球排放约340亿公吨二氧化碳/年。通过这种向大气中的释放处理了大部分二氧化碳，这例如在褐煤发电厂的情况下可为最高达50000公吨/天。

二氧化碳属于所谓的温室气体，其对大气和气候的不利影响是被议论的问题。从二氧化碳制备有用产品是一项技术挑战。由于二氧化碳处于非常低的热力学水平，因此很难将其还原为可再利用的产品，这使得二氧化碳的实际再利用至今仍保留在理论中或学术界中。

天然二氧化碳降解例如通过光合作用进行。在此涉及二氧化碳转化为碳水化合物的过程，该过程随着时间的推移并且就空间而言在分子水平上被分为许多分步骤。因此，该过程不能简单地大规模适用。迄今为止，对具有大规模光催化的自然光合作用过程的复制都不够高效。

另一种方法是二氧化碳的电化学还原。对二氧化碳电化学还原的系统研究仍然是一个相对较新的发展领域。在过去几年中，研究活动显著增加，因为通过从太阳能或风能等非化石生产来源能够获得过剩电能的可能性使得这种能量的储存/利用从经济角度来看似乎是可行的。

仅在最近几年才开发出能够减少可接受的二氧化碳量的电化学系统。实验室规模上的研究已表明，对于二氧化碳电解来说优选使用金属作为催化剂。因此，对于CO₂的电解，通常使用金属作为催化剂，其中的一些例如在表1中示出，摘自Y.Hori,ElectrochemicalCO₂reduction on metal electrodes,出自:C.Vayenas,等人(编辑),Modern Aspects ofElectrochemistry,Springer,New York,2008,第89-189页。

表1：在各种金属电极上将CO₂转化为各种产物的法拉第效率

表1列出了在各种金属电极上在二氧化碳还原的过程中生成的产物的法拉第效率[FE](％)。所示出的值适用于0.1M碳酸氢钾溶液作为电解质。

如果二氧化碳例如在银、金、锌、钯和镓阴极上几乎完全被还原为一氧化碳，在铜阴极上则形成多种烃作为反应产物。

然而，在银阴极处，主要形成一氧化碳和少量氢。阳极和阴极上的反应可示例性地通过以下反应方程式表示：

阴极：2CO₂+4e^-+4H⁺→2CO+2H₂O

阳极:2H₂O→4H⁺+4e^-