[發明專利]壓濾光電化學水氧化和CO2還原電池

有效

• 申請號: 201580067935.4
• 申請日: 2015-12-18
• 公開（公告）號: CN107406993B
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: M·D·埃爾南德斯·阿隆索;G·佩內拉斯·佩雷斯;T·安德魯;E·艾特穆;A·帕拉;C·法布雷加;J·R·莫蘭特
• 申請（專利權）人: 雷普索爾有限公司;恩納加斯服務解決方案公司
• 主分類號: C25B1/00
• 分類號: C25B1/00
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 龐東成;武胐

本公開涉及用于CO₂的光電化學還原的方法和裝置。特別地，公開了一種用于從CO₂產生還原產物的壓濾光電化學電池和CO₂的光電化學還原方法。

技術領域

本公開涉及用于CO₂的光電化學還原的方法和裝置。

背景技術

二氧化碳對含碳可再生燃料和材料的電化學增值作用在過去若干年的文獻中受到特別關注。最近的研究工作集中在一些使用壓濾型電池的研究中。

壓濾電解電池是由一系列單元組成的電解電池。基本單元池包含電極對(陽極和陰極)，通過使用電介質間隔物、橡膠襯墊(用于液體和氣體密封)和膜分隔器(必要時)而具有受控的窄電極間隙。使用連接桿在金屬(通常是不銹鋼)端板之間壓縮該組件。此外，間隔物可以在電極附近保持有塑料湍流促進器(以增強質量傳遞)。

電池的配置使得能提供可靠的數據，以協助使用類似的材料、電極間隙和空間速率而放大至工業生產規模的電解電池。

在電解電池中，陰極上的CO₂被還原，同時在陽極上發生析氧反應。用于將CO₂電化學還原成產物的陰極半反應的一些實例如下所示：

CO₂+2H⁺+2e^-→CO+H₂O

CO₂+H⁺+2e^-→HCOO^-

CO₂+8H⁺+8e→CH₄+2H₂O

2CO₂+12H⁺+12e^-→C₂H₄+4H₂O

甲酸是CO₂水溶液電解的相關可能產物之一，反應的主要產物取決于所用的電催化劑。然而，在水溶液中使用CO₂的問題源于其在標準溫度和壓力下在水中的低溶解度。需要更高的壓力來增加液相中的CO₂濃度，但在這些條件下的電極穩定性有限。

在CO₂的非水性電化學還原中，使用了對CO₂具有高溶解度的溶劑。然而，高 CO₂溶解度需要更大的電流密度，但低的電解電導率導致了高的歐姆損耗。

另一個問題是需要高電流密度來提高生產率并最大化烴的形成，并且在這些條件下也存在快速失活。

在利用壓濾型電池將CO₂電化學還原為甲酸時，使用多孔電極(例如氣體擴散電極(GDE))已成為最近研究的目標。GDE允許以更高的電流密度進行操作，并且還允許將氣態CO₂直接供給到電池。

Alvarez-Guerra M.等，AIChE Journal，2014,60(10)pp.3557-3564，描述了在用于用負載有作為電催化劑的Sn的氣體擴散電極(GDE)將CO₂連續電還原為甲酸的避光條件下關鍵變量對實驗系統性能的影響。

CO₂電催化還原仍有幾個技術挑戰。所使用的催化劑的低催化劑活性使得CO₂電還原中的過電壓太高，結果是能量效率不足以用于該過程的工業開發。此外，使用的催化劑的穩定性和耐久性不足。這是因為催化劑逐漸被反應中間體和副產物覆蓋從而阻斷催化劑活性位點。最后，放大這些過程需要大力優化系統設計和電極/反應器。

發明內容

第一方面，本公開涉及一種壓濾光電化學電池，其包括：