[发明专利]一种二氧化碳电催化反应系统及反应方法

说明书

本发明涉及一种二氧化碳电催化反应系统及反应方法，该方法或系统均采用电化学系统首先为碳酸氢盐反应提供Hsupgt;+/supgt;，使碳酸氢盐与Hsupgt;+/supgt;反应生成二氧化碳，在电催化的作用下使二氧化碳直接还原为一氧化碳，且在流场力的作用下及时驱散二氧化碳还原催化剂表面的OHsupgt;‑/supgt;，提升二氧化碳的还原效率。

技术领域

本发明涉及一种电化学反应系统及反应方法，尤其涉及一种二氧化碳电催化反应系统及反应方法。

背景技术

随着经济和社会的快速发展，世界范围内对能源的需求不断增加。化石燃料的大量消耗导致大气中CO₂的不断积累，目前全球大气CO₂平均浓度超过400ppm，远超安全上限350ppm。在“双碳目标”下，利用可再生能源将二氧化碳电还原为高价值化学品和燃料被认为在减少CO₂排放方面具有实际前景。

工业上CO₂的利用主要经过捕获、释放、加压运输、利用以及最后的产物分离过程，即使用碱性溶液(如乙醇胺溶液、K₂CO₃溶液、KOH溶液)对来自废气中的CO₂进行捕获，然后将富含CO₂的捕获液加热到90℃以上将CO₂释放，释放的CO₂经过加压主要通过管道进行运输，然后进行电化学利用，最后进行产物分离。由于溶液中水的比热容较大，导致CO₂释放为高耗能的过程，消耗了整个过程90％的能量。将富含碳酸氢盐的液态碳捕获溶液直接电化学转化为高价值化学品可以避免CO₂的释放这一能源密集和资本密集过程，是人们认为的一种较好的解决方法。

为了实现这些目标，人们正在设计“碳酸氢盐电解槽”架构，这种类型的电解槽将富含碳酸氢盐的CO₂捕获液直接转化为CO等含碳产品，同时再生碳酸盐和氢氧化物吸附剂以进行后续的碳捕获。这种碳酸氢盐电解槽将CO₂电化学与上游碳捕获联系起来，无需高温或加压步骤，从而降低了整个过程的能耗。

碳酸氢盐电解槽中的CO₂电还原过程主要是指在可再生电力下，CO₂得电子同时争夺水中的质子产生高价值产物和OH^-的过程。同时由于电催化还原CO₂(CO₂RR)与水还原制氢(HER)的电位十分相近，因为CO₂RR会不可避免的有HER反应的竞争，这也是一个产生OH^-的反应。上述两个过程产生的OH^-在电场作用下聚集在催化剂表面，与到达催化剂表面的CO₂进行反应，降低CO₂的供应，导致CO₂供应不足，HER加剧，最终整个过程由CO₂转化成CO的FE较低。

发明内容

本发明为了解决CO₂转化成CO的法拉第效率(FE)低的问题，一方面提供了一种二氧化碳电催化反应方法，另一方面提供了一种二氧化碳电催化反应系统，该方法或系统均采用电化学反应系统首先为碳酸氢盐反应提供H⁺，使碳酸氢盐与H⁺反应生成二氧化碳，在电催化的作用下使二氧化碳直接还原为一氧化碳，且在流场力的作用下及时驱散二氧化碳还原催化剂表面的OH^-，提升二氧化碳的还原效率。

所采取的方案为：一种二氧化碳电催化反应方法，采用电化学系统实现二氧化碳电还原，其中电化学反应系统包括由离子交换膜间隔开的阳极区和阴极区，阳极区内置有阳极电极和阳极液，阴极区内置有阴极电极和阴极液，阴极区内还构筑有使阴极液由离子交换膜流至阴极电极第一侧面再流至阴极电极第二侧面的流场力，阴极电极第一侧面和阴极电极第二侧面分别为阴极电极的两侧；

反应方法包括以下步骤：