[發明專利]利用芒硝增強CO2

有效

• 申請號: 201710637843.6
• 申請日: 2017-07-31
• 公開（公告）號: CN109326836B
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 謝和平;王昱飛;劉濤
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: H01M10/42
• 分類號: H01M10/42;H01M10/0563
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 陶海燕;錢成岑

本發明公開一種利用芒硝增強CO₂礦化電池產電性能的方法及其電池，陽離子交換膜將電池容器分隔為陽極區和陰極區，陽極區為含芒硝和氫氧化鈣的溶液，陰極區為碳酸氫鈉溶液，電通路形成后將CO₂通入陰極區電離出H⁺和HCO₃^?，H⁺在陰極還原為H₂并循環回陽極被氧化為H⁺，再與氫氧化鈣電離出的OH^?中和，HCO₃^?和陽極區透過來的Na⁺生成碳酸氫鈉，Ca²⁺與芒硝的硫酸根生成硫酸鈣沉淀，陰極區的碳酸氫鈉移出過濾得到碳酸氫鈉固體，或進一步烘干得到碳酸鈉固體；陽極區產生的硫酸鈣處理后可作為水泥生產的原料。本發明用資源豐富的芒硝為反應介質替代氯化鈉，提高CO₂礦化電池的產電性能和開路電壓，且大大簡化了電池結構。

技術領域

本發明屬于電學領域，具體涉及一種利用芒硝作為反應介質增強CO₂礦化電池產電性能的方法，以及利用該方法的CO₂礦化電池。

背景技術

過去幾十年來，爆發增長的能源需求導致了化石能源的大量消耗。這不僅導致能源的供應危機，同時化石燃料燃燒排放的大量CO₂被認為是導致全球氣候變化的主要原因，給人類帶來了嚴峻的挑戰。為了應對這個全球性的科學難題，一方面需要采用排放極低的可再生能源系統來實現CO₂的減排，另一方面采用人為的技術手段來實現大量CO₂的封存也勢在必行。但就目前而言，雖然太陽能、風能等可再生能源的發展非常迅速，但其在能源消耗中的占比仍然較低，難以在短期內徹底取代傳統的化石能源，實現對整個能源系統的徹底替換。因此，如何在末端處理化石能源燃燒所排放的CO₂，已成為短期內CO₂減排的主要研究方向。

CO₂礦化被認為是可行性非常高的CO₂減排技術之一，將CO₂進行礦化處理是在熱力學上唯一知曉的化學位降低的CO₂利用途徑。在之前的研究中，根據CO₂礦化反應化學位降低這一特征，本發明人開發了“礦化CO₂制取碳酸氫鈉或碳酸鈉對外輸出電能的方法”(CN201410319920.X)，該方法利用氯化鈉作為鈉離子來源參與CO₂與堿性化合物之間的礦化反應，從而制取了具有較高附加值的碳酸氫鈉。同時實現了將CO₂礦化反應釋放的化學能轉變為電能。CO₂礦化發電的重要科學意義在于首次通過電化學轉化原理將CO₂礦化反應的化學能轉變為了電能。在該方法中，發生的反應如下：

2NaCl+Ca(OH)₂+2CO₂→2NaHCO₃+CaCl₂ΔG＝-41.64kJ/mol (1)

在該CO₂礦化發電系統中，陽極電極和陰極電極之間通過一張陰離子交換膜和一張陽離子交換膜分隔為陽極區、中間區和陰極區。堿性固廢加入陽極區后電離出OH^-(反應2)，CO₂鼓泡通入陰極區后電離出H⁺(反應3)。

因此，陽極區和陰極區之間建立起了pH差值。在H⁺/H₂氧化還原電對的協助下，這個pH差值轉變了為陰、陽電極之間的電勢差，導通CO₂礦化電池的陰陽極便能實現電流的輸出。最終，第一代CO₂礦化電池實現的最大開路電壓為0.452V，最大功率密度為5.5W/cm²。