[发明专利]用于二氧化碳利用的方法和电解系统

说明书

本发明涉及官能化的载体材料在用于二氧化碳利用的电解系统中用于均相和非均相催化裂解甲酸盐的用途。所述电解系统包括电解池以及过滤单元，所述电解池具有在阳极室中的阳极和在阴极室中的阴极，其中阴极室设计成接收包含二氧化碳的电解反应物，并将该电解反应物引导通过阴极。二氧化碳在阴极处还原，并且产生至少一种烃化合物或一氧化碳作为电解产物。甲酸盐作为不期望的副产物形成。过滤单元包括至少一个催化过滤系统，通过该系统可将甲酸盐转化成氢气和二氧化碳或转化成水和一氧化碳。

本发明涉及用于二氧化碳利用(二氧化碳回收)和制备一氧化碳的方法和电解系统。在电解步骤中，二氧化碳被引入电解池中并在阴极处被还原。

现有技术

目前世界能源需求的80％通过化石燃料的燃烧来满足，其燃烧过程导致全球每年向大气中排放约340亿吨二氧化碳。大部分二氧化碳通过这种向大气中的排放来处置，这例如在褐煤发电厂的情况下每天可达5万吨。二氧化碳属于对大气和气候有不利影响的所谓的温室气体。由于二氧化碳在热力学上处于非常低的位置，因此其难以被还原成可再利用产品，这使得二氧化碳的实际再利用迄今仍停留在理论上或学术界中。

天然的二氧化碳降解例如通过光合作用进行。在此，二氧化碳在以随时间变化且在分子水平上随空间变化的方式被分为很多子步骤的过程中转化成碳水化合物。因此，该过程不易适应大规模(工业规模)应用。用大规模的光催化对天然光合作用过程的复制不够有效。

另一种方法是二氧化碳的电化学还原。二氧化碳电化学还原的系统研究仍然是一个相对较新的发展领域。只是在几年前，已经努力开发能够还原可接受的二氧化碳量的电化学系统。实验室规模的研究表明，优选使用金属作为用于电解二氧化碳的催化剂。根据Y.Hori的文献“Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes”，发表于：C.Vayenas等人(编辑)，Modern Aspects of Electrochemistry，Springer，New York，2008，第89-189页，可发现对不同金属阴极的拉第效率，见表1。如果二氧化碳例如在银、金、锌、钯和镓阴极上几乎全部还原成一氧化碳，则在铜阴极上形成大量的烃作为反应产物。

因此，例如在银阴极上主要产生一氧化碳和很少的氢。阳极和阴极上的反应可以用以下反应式表示：

阴极：2CO₂+4e^-+4H⁺→2CO+2H₂O

阳极：2H₂O→O₂+4H⁺+4e^-

在经济上特别令人感兴趣的例如是一氧化碳、甲烷或乙烯的电化学制备。在此，它们是比二氧化碳在能量上价值更高的产品。

表1：

该表中给出了在二氧化碳还原时在各种金属电极上生成的产物的法拉第效率[％]。所给出的值适用的情形是0.1M碳酸氢钾溶液作为电解质，电流密度低于10mA/cm²。

现在，对于所有的用于转化一氧化碳或转化二氧化碳(视工艺条件而定)的电化学还原方法，常常出现不期望的副作用：生成了甲酸盐，即甲酸的盐，其加剧了碳沉积物对自由表面的堵塞。由于石墨沉积物的形成导致催化活性表面的减小，电解池中的电极或催化剂表面将由此失活。在二氧化碳还原的情况下，一方面降低了转化率，另一发明还不利地影响了催化剂对烃的选择性。这也导致电极的长期稳定性和该方法的盈利能力的损失。催化剂焦化(即含有石墨的催化剂的分解)的问题，迄今已经从与一氧化碳或二氧化碳的转化有关的其他领域得知。例如在催化裂化过程中也发生催化剂焦化。在此，电极的再生不是在原位进行的，而是必须将所述电极拆除。然后在大约700℃的温度下借助氧将碳沉积物燃烧掉。实例为工业上使用的FCC(fluid catalytic cracking，流化催化裂化)方法，该方法基于反应器发生器原理。