一种高效磁场辅助电催化还原CO2的方法技术

本发明专利技术公开了一种高效磁场辅助电催化还原CO2的方法，具体包括以下步骤：(1)使用隔膜将电化学反应器的阴极室和阳极室隔开，将铁粉芯线圈以螺旋形缠绕在电催化装置的阳极和阴极上，连接好外电路；所述阳极和阴极材料使用磁性铁氧体磁芯；(2)取磁性阴极电催化剂分散在阴极室中；(3)通入CO2后接通电源，进行电解。本发明专利技术通过磁助电催化还原CO2，利用电与磁之间的内在联系，实现电和磁在电催化过程中的相互转化，高效催化还原CO2而生成CO，CH4，C2H4，HCOOH，CH3OH和CH3CH2OH的一系列产物能作为“碳一”、“碳二”工程的原料气或产品直接售出，可同时实现温室气体污染物的高效去除和气体的资源化利用回收。源化利用回收。源化利用回收。

【技术实现步骤摘要】
一种高效磁场辅助电催化还原CO2的方法


[0001]本专利技术涉及一种磁场辅助电催化还原CO2实现资源化的方法，属于磁助工业能源催化领域。

技术介绍

[0002]目前，化石燃料是世界上主要的能源，导致能源和环境问题。地球上的化石燃料储量有限，但人类发展对能源的需求却永无止境。与此同时，化石燃料的持续消耗导致了二氧化碳(CO2)的过度排放。因此，大气中的二氧化碳浓度已超过350ppm的安全限值，预计到本世纪末将达到近600ppm。全球变暖和海洋酸化等环境问题与如此大规模的二氧化碳排放非常相关。因此，减少对化石燃料的依赖和大气中二氧化碳的浓度是人类未来发展的两个紧迫问题。
[0003]鉴于CO2在解决上述能源和环境问题方面的潜在作用，CO2向增值产品的化学转化已引起越来越多的研究兴趣。为了实现这种化学转化，人们广泛探索了三种多相催化过程——合成气转化、CO2加氢和CO2电还原。近年来，在温和条件下由可再生电力驱动的二氧化碳电还原已获得越来越多的研究兴趣。电催化法还原CO2具有反应条件温和，设备要求低，并且通过电催化CO2还原可以获得各种产物，如CO、CH4、HCOOH和CH3OH等重要的燃料和化学品，不仅降低了人类对化石能源的依赖，而且有望解决能源危机和全球环境污染等问题。
[0004]电催化主要将温室气体二氧化碳电解还原为有用的C1和C2化学产物，不但可以有效减少目前困扰全球的温室效应，而且可以变废为宝，实现能源的循环利用。在此过程中，阴极及催化剂是影响产物选择性和转化效率的关键因素，也是当下研究的焦点问题。CO2具有很强的化学惰性，分子中的C
‑
O键性质介于双键和三键之间，解离能约为750kJmol
‑1，这使得CO2还原的工业进程非常缓慢。在电催化反应中，设计并合成高效的电催化剂是实现电催化还原CO2的重要研究内容。贵金属如金，银和钯催化剂与中间体的结合能较小，具有选择性高的优点，表现出较强的还原CO2的能力。然而，贵金属的高成本阻碍了其电催化还原CO2的工业应用。为了克服这一挑战，关键是寻求一种能提供CO2化学键断裂能量的经济而环保的方法。而磁场作为和光场、电场一样的外加场，对反应体系的熵和反应速率起着重要的作用。因此，从物理化学的理论角度来看，将磁场引入到电催化还原CO2反应中辅助反应，是一种可行的额外提供反应物分子化学键断裂能量的方法。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种磁场用于提升电催化还原CO2过程的高效能量输入和多相催化性能的方法。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种高效磁场辅助电催化还原CO2的方法，具体包括以下步骤：
[0008](1)使用隔膜将电化学反应器的阴极室和阳极室隔开，将铁粉芯线圈以螺旋形缠绕在电催化装置的阳极和阴极上，连接好外电路；所述阳极和阴极材料使用磁性铁氧体磁
芯；
[0009](2)取磁性阴极电催化剂分散在阴极室中；
[0010](3)通入CO2后接通电源，进行电解。
[0011]采用上述技术方案的有益效果：在接通电源后，阳极产生电能，一方面由于电磁感应电生磁而产生的磁场有助于促进水的氧化而产生更多的电子；另一方面，磁生电，磁能也可以再次转化为电能，为阳极的电能输入提供额外的能量。
[0012]磁场辅助电催化阴极的CO2的还原过程，主要涉及到磁场对电解液中电子和质子的活化作用以及磁场和磁性电催化剂的耦合作用。阴极的CO2还原反应是电催化还原CO2过程的核心，磁场的阴极布置方式同阳极，即以电磁感应的方式产生，由于磁场对阳极生成电子的活化作用，中间电子通过外部电路从阳极传输到阴极的效率大大增加，这使得阴极在磁场作用下能更多地接受来自电极的电子和电解质中的质子，助益于CO2还原反应。在电催化反应中，CO2分子吸附在电催化剂表面发生电荷重排，阴极磁场作用下使电子活性变强，从而使CO2分子更容易被电子攻击，由阳极提供的磁能和电能共同作用于碳氧键断裂，生成例如*COO
‑
和HCOO
‑
的中间反应产物，见化学反应方程式(1)和(2)。这个过程主要取决于CO2本身的还原电位，额外提供的磁能可以降低其还原电位值。
[0013]CO
2(g)
+e
‑
→
*COO
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0014]CO
2(g)
+H2O
(l)
+2e
‑
→
HCOO
‑
(aq)
+OH
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0015]中间产物作为新的还原产物进行重排，然后与电解液或者电极中的质子或电子反应，生成产物。阴极CO2还原反应可能经历两个、四个、六个、八个或十二个电子转移过程，从而产生多种产物。如化学反应方程式(3)
‑
(7) 所示，除了CO、HCOOH、HCHO、CH3OH和CH4等C1产物外，还可以通过C
–
C偶联反应生成C2产物，包括C2H4和CH3CH2OH(见化学反应方程式 (8)
‑
(9))。这时在阴极/电解液界面上的还原反应发生在阴极电催化剂的电位下。随着电能的输入，阴极磁场产生，磁场对阴极磁性电催化剂载流导体表现作用力，电催化剂的铁磁性或顺磁性金属被磁场活化，产生微电流，电催化剂本身的起始还原电位被降低；而电解质中的电子和质子的也被产生的阴极磁场活化，更多的电子和质子被转移参与到中间产物的还原过程。因此，在磁场和磁性电催化剂的耦合作用下，上述(1)
‑
(9)的反应过程被大大促进，CO2还原的效率在阴极磁场作用下提高。
[0016]CO
2(g)
+2H++2e
‑
→
CO
(g)
+H2O
(l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0017]CO
2(g)
+2H
+
+2e
‑
→
HCOOH
(l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0018]CO
2(g)
+4H
+
+2e
‑
→
HCHO
(l)
+H2O
(l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0019]CO
2(g)
+6H
+
+6e
‑
→
CH3OH
(l)
+H2O
(l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效磁场辅助电催化还原CO2的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)使用隔膜将电化学反应器的阴极室和阳极室隔开，将铁粉芯线圈以螺旋形缠绕在电催化装置的阳极和阴极上，连接好外电路；所述阳极和阴极材料使用磁性铁氧体磁芯；(2)取磁性阴极电催化剂分散在阴极室中；(3)通入CO2后接通电源，进行电解。2.根据权利要求1所述的一种高效磁场辅助电催化还原CO2的方法，其特征在于，所述磁性铁氧体磁芯为Fe2O3与二价金属氧化物所组成的复合氧化物材料，属亚铁磁性，分子式为MeO
·
Fe2O3，其中Me代表ⅢB、ⅣB、
Ⅴ
B、
Ⅵ
B、
Ⅶ
B、
Ⅷ
、ⅠB、ⅡB中的过渡二价金属。3.根据权利要求1所述的一种高效磁场辅助电催化还原CO2的方法，其特征在于，所述磁性阴极电催化剂为铂，钯，锂，钠，钛，铝，钒，铁，钴，镍和稀土金属中的任意一种顺磁性单金属纳米催化剂或任意两种顺磁性金属掺入制备的杂化金属纳米催化剂；或者为反铁磁性和服从居里
‑
外斯定理的磁性无机金属化...

【专利技术属性】
技术研发人员：王学谦，谢怡冰，宁平，王郎郎，马懿星，曹睿，王路，罗剑霏，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：