[发明专利]难溶性盐作为气体扩散电极中的添加剂用于提高在高电流密度下的CO２选择性

说明书

本发明涉及包括选自Ag、Au、Cu、Pd及其混合物和/或合金的金属M和金属M的难溶性化合物的气体扩散电极、其制造方法、在电解CO₂和/或CO中的用途和相应的电解方法、以及具有根据本发明的气体扩散电解的电解池。

本发明涉及包括选自Ag、Au、Cu、Pd及其混合物和/或合金的金属M和金属M的难溶性化合物的气体扩散电极、其制造方法、在电解CO₂和/或CO中的用途和相应的电解方法、以及具有根据本发明的气体扩散电极的电解池(电解槽)。

现有技术

目前，化石燃料的燃烧覆盖了全球约80％的能源需求。2011年，在全球范围内通过这些燃烧过程向大气排放了约340.327亿吨二氧化碳(CO₂)。这种排放是处理大量CO₂的最简单方式(褐煤发电厂每天超过50000吨)。

关于温室气体二氧化碳对气候的负面影响的讨论导致了对二氧化碳再利用的反思。从热力学角度来看，二氧化碳处于非常低的位置并且因此只是难以被再次还原成有用的产品。

在自然界中，CO₂通过光合作用被转化为碳水化合物。这个在时间上和在分子层面在空间上分成许多子步骤的过程只是非常难以在工业规模上复制的。与纯光催化相比，目前更有效的方式是CO₂的电化学还原。与光合作用中的光能相反，在该过程中通过提供由可再生能源如风或太阳获得的电能将CO₂转化为能量上更高价值的产品(例如CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₅O等)。在这种还原中所需的能量在理想的情况下相当于燃料的燃烧能，并且应该仅来自可再生的资源。然而，可再生能源的生产过剩不是持续可提供的，而是目前仅在伴随强烈的日照和强风时期才可提供。

因此，使用CO₂作为碳源用于电化学制造更高价值的产品是有意义的。与氢电解槽相反，在CO₂电解槽的情况下产物和反应物之间的分离显著更为复杂，因为产物和反应物两者都以气态形式存在。此外，尤其是在水性介质中，在氢的形成和预期的CO₂还原产物(优选CO或乙烯、乙醇)之间总是存在竞争反应。

含银的气体扩散电极在氯碱电解中被用作所谓的氧-去极化阴极，以通过在阴极处供应气态氧来抑制氢的形成。通过这种“集成燃料电池”将氯碱电解的能量需求降低了约30％。

H₂O+O₂+2e^-→2OH^-

这表明这种电极已经具有相对高的氢形成过电压(HER；析氢反应)。

因此，这些电极也可用作气体扩散电极，用于在各种不同的电池概念(例如，背流的CO₂、流经的CO₂、PEM(聚合物电解质膜)、半PEM，有或没有电解质间隙概念(Elektrolytspaltkonzepten))中将CO₂一步直接电化学还原成CO。

然而，在200-300mA/cm²以上的电流密度下，观察到显著的HER。

在S.S.Neubauer,R.K.Krause,B.Schmid,D.M.Guldi,G.Schmid；Overpotentialsand Faraday Efficiencies in CO₂ Electrocatalysis-the Impact of 1-Ethyl-3-Methylimidazolium Trifluoromethanesulfonate；Adv.Energy Mater.2016,1502231或其中引用的文献中使用离子液体来获得银电极和离子液体之间的共催化效应，该共催化效应降低CO₂还原的过电压并增加HER的过电压。