一種將二氧化碳電還原為一氧化碳的多室隔膜電解裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種將二氧化碳電還原為一氧化碳的多室隔膜電解裝置，屬于二 氧化碳資源化利用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品，實(shí)現(xiàn)碳資源循環(huán)利用，是能源環(huán)境領(lǐng)域迫切需要 解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。合成氣是一種應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)化工原料，其主要成份為一氧化碳和氨氣。 目前，合成氣主要由化石燃料進(jìn)行生產(chǎn)，但是，化石燃料是不可再生的，而且在使用過(guò)程中 還要排放出大量的二氧化碳，導(dǎo)致溫室氣體效應(yīng)和全球氣候變暖，因此，探索非化石燃料來(lái) 源合成氣的生產(chǎn)方法，成為一項(xiàng)重要的研究課題。本項(xiàng)實(shí)用新型采用二氧化碳和水為原料 制備合成氣，W可再生電能為電解電能，將二氧化碳、水電解還原為一氧化碳、氨氣，然后將 獲得的一氧化碳和氨氣混合在一起，制得合成氣，所得合成氣用于生產(chǎn)甲醇、石蠟、聚氨醋 等下游化工產(chǎn)品。
[0003] W二氧化碳、水和可再生電能為基本要素制備合成氣，需要解決的核屯、關(guān)鍵問(wèn)題 是:將二氧化碳連續(xù)高效地電還原為一氧化碳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了將二氧化碳連續(xù)高效地電還原為一氧化碳，本實(shí)用新型提供了一種二氧化碳 電還原為一氧化碳的多室隔膜電解裝置，如圖1所示，本實(shí)用新型通過(guò)W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 用全氣橫酸離子交換膜將電解池分隔成多個(gè)電極室，構(gòu)成陰極室和陽(yáng)極室相間排布的多室 隔膜電解池，采用溶有大量二氧化碳的有機(jī)復(fù)合電解液為陰極電解液，含有支持電解質(zhì)的 水溶液為陽(yáng)極電解液，采用對(duì)電解二氧化碳制一氧化碳具有高選擇性的電極材料為陰極， 惰性電極為陽(yáng)極，共同構(gòu)成多室隔膜電解池。電解反應(yīng)過(guò)程中，水在陽(yáng)極上發(fā)生氧化反應(yīng)， 生成氨離子和氧氣，氨離子經(jīng)傳質(zhì)過(guò)程遷移到陰極室電解液中，參與二氧化碳電還原反應(yīng)， 生成一氧化碳。由于二氧化碳電還原反應(yīng)本身有水生成，水可W在陰極上發(fā)生電還原反應(yīng)， 導(dǎo)致陰極上有氨氣生成。
[0005] 所述有機(jī)復(fù)合電解液包含四種功能組份:有機(jī)溶劑、有機(jī)支持電解質(zhì)、質(zhì)子導(dǎo)電增 強(qiáng)劑和電催化劑。
[0006] 所述有機(jī)溶劑為碳酸丙締醋、N-甲基化咯燒酬、碳酸二乙醋中的一種或任意比例 組成的混合溶劑;所述有機(jī)支持電解質(zhì)為季錠鹽、氯化膽堿中的一種或兩種任意比例組合 的混合電解質(zhì)；所述質(zhì)子導(dǎo)電增強(qiáng)劑為Ξ氣甲基乙醇、甲醇和苯酪中的一種或任意比例組 成的混合物;所述電催化劑為金屬化嘟化合物、金屬獻(xiàn)菁化合物、Ξ幾基-2,4'-二聯(lián)化晚金 屬面化物、咪挫類離子液體中的一種或幾種任意比例混合物。
[0007] 作為有機(jī)復(fù)合電解液中有機(jī)支持電解質(zhì)的季錠鹽，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：
[000引
[0009] Ri、R2、R3、R4為。-Cs的碳氨鏈；χ-為CF3SO3-、Cl〇4-、（CF3SO2)2r、CF3C00-、出P〇4-、 HC〇3-、Cr、HS〇4-、Br-;
[0010] 作為有機(jī)復(fù)合電解液中有機(jī)支持電解質(zhì)的氯化膽堿，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：
[0011]
[0012] 作為有機(jī)復(fù)合電解液中電催化劑的金屬化嘟化合物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：
[0013]
[0014] Μ功鐵或鉆元素，虹、1?2、1?3、1?4為氨原子或(：1-〔5的碳氨鏈，或苯取代基；
[0015] 作為有機(jī)復(fù)合電解液中電催化劑的金屬獻(xiàn)菁化合物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：
[0016]
[0017] Μ勸鐵、儘或銅元素；
[0018] 作為有機(jī)復(fù)合電解液中電催化劑的Ξ幾基-2,4'-二聯(lián)化晚金屬面化物，其化學(xué)結(jié) 構(gòu)式為：
[0019]
[0020] M3為儘或鍊元素，X為Cl、化或I，化、R2為氨原子或&-Cs的碳氨鏈；
[0021] 作為有機(jī)復(fù)合電解液中電催化劑的咪挫類離子液體，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：
[0022]
[0023] Ri、R2為Ci-Cs的碳氨鏈;M、N為連接到碳氨鏈上的氨原子或官能團(tuán)，官能團(tuán)為：一 CN、一畑2或一0H; χ-為（CF3SO2) 2N-、CF3C0 礦、CF3SO3-、肥 03-、HS04-、出 P〇4-、Br-、Cr。
[0024] 所述陽(yáng)極電解液中的支持電解質(zhì)為碳酸氨鐘、碳酸氨鋼、憐酸二氨鐘、憐酸二氨 鋼、憐酸氨鐘、憐酸氨鋼、硫酸鐘、硫酸鋼或硫酸中的一種或幾種任意比例混合物。
[0025] 所述陽(yáng)極為氧化銀涂層鐵陽(yáng)極、Ir〇2 ·化2化涂層鐵陽(yáng)極、玻碳電極或石墨電極。 [00%]所述陰極為化、Au、Ag、化電極中的任一種，或上述金屬的合金。
[0027]將二氧化碳電還原為一氧化碳的多室隔膜電解方法，其具體實(shí)施步驟如下：
[00%]步驟一，將有機(jī)支持電解質(zhì)溶入有機(jī)溶劑中，得到0.1~3.Omol/L的有機(jī)電解液， 在有機(jī)電解液中按照所需濃度0.1~〇.4mol/L加入質(zhì)子導(dǎo)電增強(qiáng)劑，再按照所需濃度為 0.01~0.2mol/L加入電催化劑，得到有機(jī)復(fù)合電解液，將二氧化碳溶于有機(jī)復(fù)合電解液中， 使?jié)舛冗_(dá)0.09~0.21mol/L，所得溶液被注入隔膜電解池陰極室中，將支持電解質(zhì)濃度為 0.1~2mol/L的水溶液注入隔膜電解池陽(yáng)極室中；
[0029] 步驟二，接通電解電源，控制電解電壓為3.6~4.3V，在常溫常壓條件下，進(jìn)行電解 反應(yīng)，運(yùn)時(shí)水在陽(yáng)極上發(fā)生電氧化反應(yīng)，生成氨離子和氧氣，生成的氨離子經(jīng)全氣橫酸離子 交換膜遷移到陰極，參與二氧化碳電還原反應(yīng)，生成一氧化碳。由于二氧化碳電還原反應(yīng)本 身有水生成，導(dǎo)致陰極電解液中含有一定量的水，水在陰極上發(fā)生電還原反應(yīng)，生成氨氣， 因此，陰極上副產(chǎn)氨氣。將陰極氣相反應(yīng)產(chǎn)物收集在儲(chǔ)氣罐中，用于生產(chǎn)下游產(chǎn)品。為了使 二氧化碳電還原反應(yīng)能夠連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行，本項(xiàng)實(shí)用新型采用了陰極電解液循環(huán)技術(shù):將 二氧化碳通入氣體吸收塔中，用有機(jī)復(fù)合電解液溶解吸收二氧化碳，當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)到 或接近飽和時(shí)，將運(yùn)種溶有大量二氧化碳的有機(jī)復(fù)合電解液注入多室隔膜電解池陰極室的 底部，與此同時(shí)，處于多室隔膜電解池陰極室上部的有機(jī)復(fù)合電解液自動(dòng)地從陰極室中流 出，運(yùn)種含有較低濃度二氧化碳的有機(jī)復(fù)合電解液被再次引入氣體吸收塔中，用于溶解吸 收二氧化碳，所得含有飽和或接近飽和二氧化碳濃度的有機(jī)復(fù)合電解液，被再次注入多室 隔膜電解池陰極室底部，由此形成陰極電解液循環(huán)?？刂朴袡C(jī)復(fù)合電解液流入、流出多室隔 膜電解池陰極室的速度，使二氧化碳電還原反應(yīng)能夠連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行。
[0030] -種將二氧化碳電還原為一氧化碳的多室隔膜電解裝置：
[0031] 裝置包括氣體吸收塔1、陰極2、陽(yáng)極3、儲(chǔ)氣罐4、全氣橫酸離子交換膜5、電解池和 陰極電解液循環(huán)裝置，電解池通過(guò)全氣橫酸離子交換膜5分隔成多個(gè)電極室，構(gòu)成陰極室和 陽(yáng)極室相間排布的多室隔膜電解池，陰極室和陽(yáng)極室的底部分別設(shè)有陰極2和陽(yáng)極3,陽(yáng)極 室頂部設(shè)有水的入口，氣體吸收塔1中流出的溶有大量二氧化碳的有機(jī)復(fù)合電解液通過(guò)陰 極電解液循環(huán)裝置的管道流入到陰極室的底部，陰極室上部的溶有較低濃度二氧化碳的有 機(jī)復(fù)合電解液通過(guò)陰極電解液循環(huán)裝置返回到氣體吸收塔1的頂部，氣體吸收塔1的側(cè)面設(shè) 有二氧化碳入口，陰極室的頂部通過(guò)管道與儲(chǔ)氣罐4連接。
[0032] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有W下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
[0033] (1)本項(xiàng)實(shí)用新型提出的多室隔膜電解裝置，二氧化碳電還原反應(yīng)可W在有機(jī)復(fù) 合電解液中進(jìn)行，同時(shí)，水的電氧化反應(yīng)可W在水溶液中進(jìn)行。由于二氧化碳是非極性分 子，在有機(jī)復(fù)合電解液中具有良好的溶解性，因此，在有機(jī)復(fù)合電解液中電還原二氧化碳， 可W提高二氧化碳電還原反應(yīng)的電流密度；
[0034] (2)本項(xiàng)實(shí)用新型提出的多室隔膜電解裝置，其陰極室電解液為有機(jī)復(fù)合電解液， 運(yùn)種電解液包含四種功能組份:有機(jī)溶劑、有機(jī)支持電解質(zhì)、質(zhì)子導(dǎo)電增強(qiáng)劑和電催化劑。 本項(xiàng)實(shí)用新型所采用的有機(jī)溶劑具有很強(qiáng)的溶解二氧化碳能力，所采用的支持電解質(zhì)具有 很高的電化學(xué)穩(wěn)定性，所采用的質(zhì)子導(dǎo)電增強(qiáng)劑能夠促進(jìn)氨離子在有機(jī)電解液和離子交換 膜中的遷移