[发明专利]一种固体电化学氧泵及其二氧化碳分解方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化碳的捕集及利用领域，尤其涉及一种固体电化学氧泵及其二 氧化碳分解方法。

背景技术

由于大量排放二氧化碳(CO₂)所导致的环境问题越来越受到各国政府的重视以 及各国科学家的关注。最近，在丹麦哥本哈根举办的世界气候大会将CO₂的减排提 到了关系国家经济社会发展的战略高度。各国政府均承诺了不同程度的减排指标， 我国更是提出了2020年单位国内生产总值CO₂排放比2005年下降40％～45％的巨 大目标。

面对这种形势，众多发达国家都采取了能直接减少CO₂排放量的CCS技术(CO₂的捕集和储存技术)。我国在CO₂的减排方面，根据发展中国家的自身国情，提出了 更加实际的CCU技术(CO₂捕集和利用技术)。对于CCU技术，许多科学家致力于 CO₂的转化和固定方法的研究，以期将CO₂转化为有用的化工原料。CO₂的固定主 要有化学固定法和生物固定法。早期的CO₂化学固定法主要是利用CO₂作为化学工 业原料，用于制造纯碱、尿素及碳酸氢铵等。生物固定法是利用植物的光合作用将 CO₂转化为碳水化合物，这是CO₂固定中最理想的方法之一，但是这种方法对环境 的要求较高(必须适合植物生长)。解决CO₂问题的另一种有效可行的方法就是将 CO₂直接分解为CO和氧气(Itoh et al.，J.Membr.Sci.1993，77，245)。分解产生的CO 可以作为合成多种化工产品(如甲醇、甲醛、醋酸、异氰酸酯、碳酸二甲酯、草酸 二乙酯、二甲基甲酰胺、高分子产品等)的重要原料。氧气可以作为大众化学品。 然而，该反应是一个强吸热过程，必须在高温下才能实现，而且，由于受到热力学 平衡的限制(如在900℃时CO₂的平衡转化率仅为0.00052％)，该反应在传统的反 应器中是难以实现的。

最近，我国科学家创新地提出了将混合导体透氧膜与CO₂高温分解反应相集成 的技术，实现了900℃时CO₂的热分解，转化率达15.8％(Jin et al.，Environ.Sci.& Technol.2008，42，3064)。然而，这一过程的CO₂分解反应温度依然很高，而且CO₂转化率还是不够理想。近年来，采用电化学技术实现CO₂的分解与还原也被认为是 一种比较有潜力的CO₂利用方法。采用不同的电解质溶液(水溶液，有机溶剂等)， 在不同的电极上(铜，碳以及贵金属等)可以将CO₂电化学还原为甲酸、甲醇、甲 烷等C1产品以及乙烯、乙醇等C2产品(Arakawa et al.，Chem.Rev.2001，101，953)。 然而，这些电化学还原方法的法拉第效率较低，而且电极过电位较高。1967年，Oser 提出将ThO₂和Y₂O₃(摩尔比72∶28)混合物作为固体电解质，碳和银分别作为阴 极和阳极，在400～900℃可以将CO₂分解为C和O₂(Oser W.，US Patent 3,316,163， 1967)，但是此专利未报道任何分解数据，而且分解产生的碳沉积在电极表面，将影 响电极性能。