[发明专利]一种高温电解CO2制碳纳米管系统的改进方法

权利要求书

1.一种高温电解CO₂制碳纳米管系统的改进方法，该系统包括电解单元和电加热单元，电加热单元对电解单元进行加热，电解单元由直流电源、阴极、阳极、电解池和电解质组成，其特征在于：所述电解质为熔融碳酸盐与熔融氧化物的混合物，混合物中，氧化物与碳酸盐的摩尔比在(0,0.2]区间内，电解温度在610～690℃之间，采用恒电流电解或者恒电压电解,采用恒电流电解时,直流电源的电流密度控制在20～500mA/cm²之间,采用恒电压电解时,直流电源的电压控制在2.2V～3.2V之间；电解中，在阴极得到碳纳米管及CO，阳极得到O₂，电解质与CO₂反应得以再生；所述系统还包括惰性气体保护单元，用以向电解反应体系内通入惰性气体。

2.根据权利要求1所述的高温电解CO₂制碳纳米管系统的改进方法，其特征在于，所述直流电源电流密度为100～400mA/cm²，电解池温度为627～677℃。

3.根据权利要求1所述的高温电解CO₂制碳纳米管系统的改进方法，其特征在于，电解质为固态时，由所述电加热单元提供电解质达到完全熔融状态所需要的热能。

4.根据权利要求1所述的高温电解CO₂制碳纳米管系统的改进方法，其特征在于，所述电加热单元采用陶瓷或其他高温型电加热套，通过调节变压器负载来调控加热温度，所述的惰性气体保护单元采用钢瓶封装的氦气、氩气或氖气。

5.根据权利要求1所述的高温电解CO₂制碳纳米管系统的改进方法，其特征在于，碳酸盐为Li₂CO₃、Na₂CO₃、K₂CO₃、Rb₂CO₃、Cs₂CO₃、Fr₂CO₃、MgCO₃、CaCO₃、SrCO₃、BaCO₃、ZnCO₃中的一种或两种以上的混合物；氧化物为Li₂O、Na₂O、K₂O、Rb₂O、Cs₂O、Fr₂O、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃中的一种或两种以上的混合物。

6.根据权利要求1所述的高温电解CO₂制碳纳米管系统的改进方法，其特征在于，所述电解单元的阴极材料为镍、铂、钛、钌、铱、钯、铁、钨、铬、铜、金、石墨或不锈钢，或上述材料中的几种形成的合金；所述电解单元的阳极材料为镍、铂、钛、钌、铱、钯、铁、钨、铬、铜、金、石墨或不锈钢，或上述材料中的几种形成的合金。

7.根据权利要求1所述的高温电解CO₂制碳纳米管系统的改进方法，其特征在于，所述电解池采用高纯刚玉体坩埚、高纯镍或其他高温耐腐蚀型反应器。

8.基于权利要求1、3、4、5、6或7所述的高温电解CO₂制碳纳米管系统的的改进方法包括如下步骤：

(1)构建由直流电源、阴极、阳极、电解池、电解质和惰性气体保护单元组成的电解单元；

(2)通过电加热单元加热固态电解质以形成熔融态电解质；

(3)控制电解池温度恒定在610～690℃；

(4)通过导气管向电解池中通入CO₂，采用恒电流电解时,控制直流电源的电流密度在20～500mA/cm²之间,采用恒电压电解时,控制直流电源的电压在2.2V～3.2V之间，反应一定时间，主反应一步生成主要产物单质碳，单质碳中富集碳纳米管，总反应为：

CO₂＝C+O_2；

CO₂＝1/2O₂+CO；

CO₂＝3/4O₂+1/2CO+1/2C；

其电解反应机理为：

阳极反应：2O^2--4e^-＝O₂

阴极反应：CO₃^2-+4e^-＝C+3O^2-

CO₃^2-+2e^-＝CO+2O^2-

CO₃^2-+3e^-＝1/2CO+1/2C+5/2O²。