[发明专利]一种电化学催化还原二氧化碳制备一氧化碳的方法与装置

说明书

技术领域：本发明涉及一种电化学催化还原二氧化碳制备一氧化碳的方法与装置，属于二氧化碳资源化利用技术领域。

背景技术：氢能被认为是21世纪的主导能源之一。制约氢能广泛应用的主要技术障碍有三方面：氢气的制取、氢气的储存和氢气的应用。其中氢气的储存是制约氢能广泛应用的瓶颈问题。以氢气和一氧化碳为原料，用传统的气相催化加氢法，可以大规模地生产甲醇。甲醇是一种重要的基础化工原料，也是一种优质的汽油替代燃料。甲醇在常温下是液体，其储存、运输和应用都不存在问题，因此，以氢气和一氧化碳为原料生产甲醇，是一种很有应用前景的氢能储存方法。

二氧化碳是导致温室气体效应的主要气体成分，同时，二氧化碳也是一种重要的碳资源。利用可再生能源将二氧化碳转化为一氧化碳，并用于合成甲醇，是实现二氧化碳资源化利用的重要技术途径之一。

在“二氧化碳电化学还原研究进展”（《化学通报》2001(5):272-277. 陶映初、吴少晖、张曦）一文中，涉及到一种二氧化碳电化学还原方法，可以在水溶液中将二氧化碳电还原为一氧化碳。其反应原理为：水在阳极上发生氧化反应，生成氢离子和氧气，氢离子经传质过程迁移到阴极，在阴极上参与二氧化碳电催化还原反应，生成一氧化碳和其他C_1-2化合物，产物选择性与电极材料和反应条件有关。

在水溶液中，将二氧化碳催化还原为一氧化碳的电化学方法存在以下问题：第一、二氧化碳是非极性分子，在水溶液中溶解度很小，标准状态下只有0.033mol/L，导致阴极反应速度太过缓慢；第二、在水溶液中电还原二氧化碳，为了提高电解液的导电性，需要在电解液中加入无机支持电解质，由此不可避免地将一些无机杂质带入到电解液中，其中一些杂质在阴极表面发生电沉积反应，形成析氢过电位低的表面活性点，导致析氢反应速度加快，同时也导致电极材料对二氧化碳电还原反应的电催化活性降低。

发明内容：本发明的目的在于克服上述二氧化碳电催化还原技术存在的不足，提供一种在有机溶剂/离子液体溶液中将二氧化碳电催化还原为一氧化碳的电化学方法。

本发明的技术方案是这样实现的：用全氟磺酸型质子交换膜将电解池分隔为阴极室和阳极室，采用Au、Ag电极为阴极，采用石墨电极、玻碳电极或IrO₂·Ta₂O₅涂层钛电极为阳极，在有机溶剂/离子液体溶液中，用电化学还原的方法将二氧化碳转化为一氧化碳。具体工艺过程如下：

步骤一，在室温下，按1:1～6的液/剂体积比，将离子液体溶入有机溶剂中，得到有机溶剂/离子液体溶液；在气体吸收塔中，用有机溶剂/离子液体溶液溶解吸收二氧化碳，使二氧化碳浓度达到或接近饱和（浓度在0.06～0.7mol/L之间）；将溶有二氧化碳的溶液注入到阴极室中，用作阴极室电解液；将含有支持电解质的水溶液注入阳极室中，用作阳极室电解液；

步骤二，在室温下接通电解电源，控制电解电压为3～4.2V、电流密度为200～450A/m²，进行电解反应1.5～3小时（反应时间根据实际情况而定，使电解液中的二氧化碳得以充分还原即可，电解池中电解液量大时，可适当延长电解时间），水在阳极上发生氧化反应，生成氢离子和氧气，氢离子经传质过程迁移到阴极，与二氧化碳在阴极上发生电还原反应，生成一氧化碳气体和甲烷等副反应产物；

步骤三，从阴极室上部收集气体产物，得到一氧化碳产品；将阴极电解液从阴极室中引出，输入气体吸收塔中，用于溶解吸收二氧化碳，所得到的溶液再次返回到阴极室中，形成电解液循环；阳极反应生成的氧气在阳极室上部收集。

本发明中，阳极室水溶液中的支持电解质为碳酸氢钠、碳酸氢钾、磷酸氢钾、磷酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、硫酸氢钠、硫酸氢钾或硫酸中的任一种，其浓度为0.1～2mol/L（根据实际需要确定）。阴极室电解液中的有机溶剂为二甲亚砜、乙腈、四氢呋喃、乙醇或碳酸丙烯酯，或上述有机溶剂的任意混合物，离子液体为咪唑类离子液体或吡啶类离子液体，或上述离子液体的任意混合物。由于阴极室电解液具有吸水性，因此，阴极室电解液中含有水，水在二氧化碳电还原过程中起有益作用。

咪唑类离子液体的结构式为：