[发明专利]一种高温电解CO2制碳纳米管系统的改进方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温电解CO₂制碳纳米管系统的改进方法，属于节能减排和CO₂资源化利用领域。

背景技术

自工业革命以来，化石燃料(煤、石油、天然气等)的过度开发使大气中CO₂的浓度由上世纪初的0.27‰增加到现在已经超过0.4‰。据统计，全球每年因化石燃料燃烧产生的CO₂高达6Gt，截止2013年，化石能源提供了世界能源总需求量的90％，这意味着今后CO₂的排放量还将不断增加。然而，作为含碳类物质燃烧过程的最终产物，CO₂也是自然界中含量最丰富的C1资源，因此，探索CO₂的化学转化与利用技术无论是对环境保护还是资源有效利用都具有重要意义。

目前，CO₂化学转化技术主要集中于催化活化合成有机燃料或化工原料，如CH₄、CO+H₂、尿素、甲醇等。丛昱等采用超细Cu-ZnO-ZrO₂催化剂将二氧化碳转化为甲醇且收率高达73.4g(k·h)^-1，高于工业CH₃OH催化剂Cu-ZnO-Al₂O₃；Tomishige等将适量的2，2-二甲氧基丙烷掺入了CeO₂-ZrO₂催化剂体系中，采用该催化体系促进二氧化碳与甲醇生成碳酸二甲酯；Choudhary等利用NiO-CaO催化剂使CO₂到CH₄的转化率达到99％，且CO和H₂的选择性均达到100％。以上反应均需要在较为苛刻的条件下进行，例如高温、高压、催化剂等，因此需要配备专门的反应器，价格昂贵，使用寿命较低。在其反应过程中，由于催化剂性能较低，高温下容易失活，且生产过程中也容易发生危险，因此采用高压催化氢化法来实现二氧化碳的资源化利用仍存在许多挑战与困难。

相对于以上十分苛刻的转化方法，近年来，安全、清洁且易于操作的电化学捕捉转化CO₂技术已成为CO₂资源化利用领域研究的热点之一。当前，对CO₂电化学还原的研究主要集中于在水溶剂或者非水有机溶剂中对CO₂进行电解，此外，CO₂作为一种高度稳定的不燃物分子，它的热力学稳定性十分优越，因此，直接对其进行电解还原十分困难，需要较高能耗(高电解电压)，同时电解反应非常复杂，效率和选择性较差。基于此，开发一种低成本、装置简单、高效的CO₂资源化利用的方法及装置，以获得更好的经济、社会和环境效益是十分必要的。

发明内容

本发明提供了一种系统简单、节能、低成本、高效、耐腐蚀的CO₂资源化利用方法，高温电解CO₂制碳纳米管系统的改进方法，该系统能在低电解电压和相对低温条件下，实现CO₂的资源化利用,制得在纳米技术、电子、光学和材料科学和技术的其他领域都很宝贵的碳纳米管，并且电解反应相对简单，可一步生成碳纳米管，反应选择性好，副产物少，另外，该系统通过惰性气体(He、Ar、Ne)对体系进行保护，提高其耐腐蚀性。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种高温电解CO₂制碳纳米管系统的改进系统，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，延缓电极和电解池的腐蚀速度，从而提高整个系统的耐腐蚀性，所述的惰性气体保护单元可采用钢瓶封装的氦气、氩气或氖气。

其电解反应机理为：

阳极反应：2O^2--4e^-＝O₂