一种电催化二氧化碳还原的方法技术

本发明专利技术公开了一种电催化二氧化碳还原的方法，二氧化碳气体和水在电解液中，以银基催化剂实现高效的二氧化碳还原反应，阴极产生一氧化碳和氢气，阳极产生氧气；所述电解液为碳酸氢盐溶液或碱性双氧水。本发明专利技术以银锌为活性中心，阴极材料一体化电极的制备，二氧化碳转化率更高，实现高效的二氧化碳转化制备合成气。同时一氧化碳的法拉第效率更高，电堆的设计使其可以长时间稳定运行。计使其可以长时间稳定运行。计使其可以长时间稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
一种电催化二氧化碳还原的方法


[0001]本专利技术属于能源与电催化
，具体涉及一种电催化二氧化碳还原的方法。

技术介绍

[0002]随着社会的不断进步，城市化水平的不断提高，人们对化石能源的消耗，大量的以二氧化碳为主的温室气体的排放，引发了全球变暖、海平面上升和极端天气等环境问题，为了降低二氧化碳对气候的影响，一方面要通过大力推广节能减排技术，从源头上减少二氧化碳的排放；另一方面要加强二氧化碳资源化利用，碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage，简称CCS，也被译作碳捕获与埋存、碳收集与储存等)是指将大型发电厂所产生的二氧化碳(CO2)收集起来，并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。该方法虽然有效的减少了CO2其他的排放量，但大量的气体储存与应用仍旧存在较大的问题，处置成本高昂，经济效益低。利用低品阶的可再生电能，将CO2电化学还原生成高附加值的化学品或燃料，既可以“变废为宝”、减少CO2排放，又能将可再生能源转变为高能量密度的燃料储存，具有重要的现实意义。
[0003]二氧化碳电化学还原已知的典型技术包括：哈尔滨工业大学的CN112760669B专利，提出一种应用于大电流条件下稳定实现高效电催化二氧化碳还原的流动电解方法，采用气体扩散电极取代传统阴极电极，在使用制备的CuFe催化剂时，由于Fe对中间产物CO有较强的吸附强度，促进CO2的初始活化速度，同时更换离子交换膜与气体扩散层、改变反应器材质(可将电源的正极、负极分别与阳极对电极和CO2气体流动室的外表面相连通)、优化催化剂负载方式等方法，缓解了在使用气体扩散电极过程中容易出现的漏液、漏气或催化剂中毒的问题，提高了反应体系的稳定性，使反应体系可稳定工作超过10h，实现了高效、稳定地电催化还原CO2。该方法提出的二氧化碳还原方法虽然实现二氧化碳到乙烯的转化，但是工业化生产仍旧需要更加稳定以及高效的还原效率来满足对大量二氧化碳的处理。
[0004]中国科学院宁波材料技术与工程研究所的专利CN113046769A，提供了一种高效电催化还原二氧化碳的方法，采用直流电源、电解单元、以及用于加热电解单元的加热装置，其中电解单元采用以阴极为支撑的中空对称结构的固体氧化物电解单元，具有机械强度大、抗氧化还原能力强、稳定性高等优势。将二氧化碳通入电解单元的阴极支撑层的中空孔道，空气通入电解池单元的阳极侧，通过将电解池单元加热至700℃以上，开启直流电流，能直接将二氧化碳电催化还原为一氧化碳。该方法虽然能够实现CO2转化简单易控，产生的CO选择性好，CO2转化率高，可以达到35％以上，甚至达到40％以上，并且转化稳定性高，产生的CO通过后续化学反应即可得到液态烃或碳氢化合物，但是电解温度较高，消耗能量较大，同时较高的温度导致气体的溶解度较低，工业化大规模生产较难实现。
[0005]浙江大学的专利CN112176360B，报道一种二氧化碳电化学还原制备合成气的方法，采用H型双电化学池反应器，以质子交换膜隔离为阴极室和阳极室；反应前阴极室通入二氧化碳气体；采用三电极体系，以气体扩散电极为工作电极，铂电极为辅助电极，银/氯化银电极为参比电极；气体扩散电极包括气体扩散电极本体，以及负载在气体扩散电极本体
上的二氧化碳电化学还原催化剂；二氧化碳电化学还原催化剂为石墨相氮化碳担载的金基双金属。该方法催化剂的制备成本较高，在实际的工业化应用方面无法得到很好的应用。
[0006]而值得注意的是，目前针对于二氧化碳电催化还原制备合成气的方法往往采用金银等贵金属以及其他复杂的催化剂制备工艺，同时在电堆的电解液选择上也存在一些问题，以碳酸氢钾作为电解液为例，在阳极反应过程中会产生二氧化碳气体，系统的二氧化碳转化效率较低，增加了反应成本，工业化的实际应用也存在较大的问题，因此如何实现二氧化碳高效转化急需提高工艺技术进行优化。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种电催化二氧化碳还原的方法，解决现有技术中二氧化碳电催化还原制备合成气工艺复杂、成本高、二氧化碳转化效率较低的问题。
[0008]本专利技术的技术方案是：
[0009]一种电催化二氧化碳还原的方法，二氧化碳气体和水在电解液中，以银基催化剂实现高效的二氧化碳还原反应，阴极产生一氧化碳和氢气，阳极产生氧气；所述电解液为碳酸氢盐溶液或碱性双氧水。
[0010]所述方法在电催化二氧化碳还原装置中完成，所述装置包括
[0011](1)电化学反应单元，所述电化学反应单元包括阳极室、阳离子隔膜、阴极室和外界直流电源；所述阴极室含有阴极催化电极，所述阴极催化电极由可压缩的基底材料和催化剂组成，所述可压缩的基底材料的为泡沫镍、泡沫钛、泡沫铜、泡沫钴、碳毡、碳布中的一种，所述阴极催化剂为Ag、Au、Zn、N中的一种或多种掺杂的碳纳米管；所述阳极室含有阳极催化电极，所述阳极催化电极为泡沫镍、泡沫铁、泡沫铜、泡沫钴、泡沫铁镍中的一种或多种；
[0012](2)电解液循环装置，包括阴极电解液循环单元和阳极电解液循环单元，所述阴极电解液循环单元接收从所述阴极室电解液并用于所述阴极电解液循环，所述阳极电解液循环单元接收从所述阳极室电解液并用于所述阳极电解液循环；所述电解液为碳酸氢盐溶液或碱性双氧水。
[0013]阴极催化材料采用浸渍法制备一体化电极材料，包括以下步骤：
[0014]S1：取醋酸银或者硝酸银固体、醋酸锌或硝酸锌，加入水，配置0.1
‑
0.5mol/L的盐溶液，两种金属离子的摩尔比控制在5：1
‑
5的比例，同时在上述金属溶液中加入炭黑作为导电剂，充分搅拌均匀作为催化浆料，炭黑与金属的质量比为1：1；
[0015]S2：取PTFE或者PAN、PVA溶液作为粘合剂，采用乙醇稀释到5％的浓度；
[0016]S3：采用碳毡作为电极电催化材料的载体，对碳毡进行清洗干燥处理，同时采用模具裁剪成电堆大小，将碳毡固定在多孔的双密封板中待用；
[0017]S4：将S1所述溶液采用恒压法注入上述碳毡中，反复多次的进行浸渍处理，再采用S2所述的粘合剂进行粘合稳固处理，再进行S1金属溶液恒压浸渍处理，形成层状催化材料；
[0018]S5：对S4制备的一体化电极进行干燥处理，同时材料5％的氢氩混气在300
‑
400℃环境下处理3h，制备Zn
x
Ag
y
O
z
/CF作为反应的阴极材料。
[0019]所述的阳极材料采用泡沫镍或者LDH负载的泡沫镍，阳极电解液0.1mol/L的碳酸
氢盐通过蠕动泵以100L/min的速度进入电化学反应单元，所述的碳酸氢盐电解液的pH控制在6
‑
7之间，阳极的进料温度为20
‑
30℃，进料压力为40
‑
60kPa；阴极电解液为0.1mol/L的碳酸氢盐通过蠕动泵进入电化学反应单元，同时通入二氧化碳气体，气体的流速按本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电催化二氧化碳还原的方法，其特征在于，二氧化碳气体和水在电解液中，以银基催化剂实现高效的二氧化碳还原反应，阴极产生一氧化碳和氢气，阳极产生氧气；所述电解液为碳酸氢盐溶液或碱性双氧水。2.根据权利要求1所述电催化二氧化碳还原的方法，其特征在于，在电催化二氧化碳还原装置中完成，所述装置包括(1)电化学反应单元，所述电化学反应单元包括阳极室、阳离子隔膜、阴极室和外界直流电源；所述阴极室含有阴极催化电极，所述阴极催化电极由可压缩的基底材料和催化剂组成，所述可压缩的基底材料的为泡沫镍、泡沫钛、泡沫铜、泡沫钴、碳毡、碳布中的一种，所述阴极催化剂为Ag、Au、Zn、N中的一种或多种掺杂的碳纳米管；所述阳极室含有阳极催化电极，所述阳极催化电极为泡沫镍、泡沫铁、泡沫铜、泡沫钴、泡沫铁镍中的一种或多种；(2)电解液循环装置，包括阴极电解液循环单元和阳极电解液循环单元，所述阴极电解液循环单元接收从所述阴极室电解液并用于所述阴极电解液循环，所述阳极电解液循环单元接收从所述阳极室电解液并用于所述阳极电解液循环；所述电解液为碳酸氢盐溶液或碱性双氧水。3.根据权利要求2所述电催化二氧化碳还原的方法，其特征在于，阴极催化材料采用浸渍法制备一体化电极材料，包括以下步骤：S1：取醋酸银或者硝酸银固体、醋酸锌或硝酸锌，加入水，配置0.1
‑
0.5mol/L的盐溶液，两种金属离子的摩尔比控制在5：1
‑
5的比例，同时在上述金属溶液中加入炭黑作为导电剂，充分搅拌均匀作为催化浆料，炭黑与金属的质量比为1：1；S2：取PTFE或者PAN、PVA溶液作为粘合剂，采用乙醇稀释到5％的浓度；S3：采用碳毡作为电极电催化材料的载体，对碳毡进行清洗干燥处理，同时采用模具裁剪成电堆大小，将碳毡固定在多孔的双密封板中待用；S4：将S1所述溶液采用恒压法注入上述碳毡中，反复多次的进行浸渍处理，再采用S2所述的粘合剂进行粘合稳固处理，再进行S1金属溶液恒压浸渍处理，形成层状催化材料；S5：对S4制备的一体化电极进行干燥处理，同时材料5％的氢氩混气在300
‑
400℃环境下处理3h，制备Zn
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Ag
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O
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/CF作为反应的阴极材料。4.根据权利要求2所述电催化二氧化碳还原的方法，其特征在于，所述的阳极材料采用泡沫...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，谢连华，戚鸣，张孟麒，王洪朝，
申请(专利权)人：上海橙氧科技有限公司，
类型：发明
国别省市：