[发明专利]二氧化碳现场生成液体醇的体系和方法

说明书

一种通过从空气或其他稀薄的来源中获取二氧化碳和水(其被转化为氢气和氧气)，随后将二氧化碳和氢气转化为醇来生产醇的方法。该方法包括但不限于直接空气捕集系统二氧化碳，由电力驱动的电解水装置，将二氧化碳和氢气转化为醇的还原反应器，以及从还原混合产物中分离醇或单一醇组分的蒸馏系统。可选地，如果现场没有水或氢气，这些方法可以包括从空气中捕获水的系统，并且蒸馏系统可以使用丙二醇作为萃取溶剂。该方法可用于现场生产高纯度的原料醇(例如乙醇)以及许多其他应用。

相关申请的交叉引用

本申请要求保护于2018年2月15日提交的美国临时专利申请第62/630,919号和于2017年7月1日提交的美国临时专利申请第62/528,044号的权益。这些申请的每一个的内容在此通过引用整体并入。

发明领域

本发明涉及二氧化碳气体的捕捉和利用。方法中使用电、热或电热混合以完成对二氧化碳和水的转化，从而生成小分子醇，例如乙醇。

发明背景

随着大气中二氧化碳浓度的增加，无论从全社会福祉、大众健康亦或是能源安全的角度，开发关于从大气中去除二氧化碳的技术都迫在眉睫。二氧化碳转化技术拥有在全球任何地方现场生成化学商品并节省运输成本和环境危害的独特优势。同时该技术还可以利用当前持续升温的全球可再生能源的使用，包括太阳能光伏和风力涡轮发电。此类可再生能源通常使用间歇性的能源，例如太阳朝升夕落、风时起时停。这会造成基于此的电力供应会在某些时段出现高峰和低谷。而这为可以间歇性的利用该类电力现成生产产品的技术提供了宝贵的机遇。

在已知的从二氧化碳中生产化学品的方法中，二氧化碳和一氧化碳的还原可以完全利用由可再生能源(太阳能，风能，水电等)供能的电解水制备的氢气。该方法可以将含碳原料(二氧化碳和一氧化碳)和水转化为有机物，并作为新的能源。这个流程和地球上为生命供能的基础光合作用非常类似：植物利用光合作用将二氧化碳、水转化，从而将太阳能转化为糖和其他有机物中的化学能，这个流程在地球数十亿年历史中一直非常有效的将太阳能转化为碳基化合物中的化学能，并为地球的生态系统提供支持以及平衡大气中二氧化碳浓度。

在上个世纪，人类开始利用了光合作用的副产品(例如化石燃料)来提供现代生活所需的能量。这一行为将以前在数百万年的过程中通过光合作用被隔离在化石燃料中的数百万吨二氧化碳释放到地球大气中。科学证据表明，来自人为来源的大气中二氧化碳浓度的迅速增加可能对全球气候造成灾难性影响。因此，模仿自然过程来隔离二氧化碳的负碳过程的发展对于地球的未来至关重要。

二氧化碳隔离或去除的主要障碍之一是有效利用并高效催化转化二氧化碳和一氧化碳为有用的化学品。植物通过脱氢酶实现此目的，脱氢酶利用过渡金属催化将二氧化碳氢化还原成一氧化碳，甲酸或糖类的许多其他结构单元。人造系统已尝试复制此路线，关于二氧化碳转化的化学方法已知数十年了。但是，其中很多方法在大规模声场中都会有困难包括不切实际的能量和成本需求。因此，新型的体系和方法需要被开发从而完成对二氧化碳的大规模去除并生成有价值的材料。

发明概要

本发明提供了一系列体系和方法从而完成二氧化碳转化为醇的过程。原则上有3种不同的路径可以完成该还原反应：(1)一步电化学还原二氧化碳到目标化学品；(2)组合电化学和热力学转化的两步反应，首先电化学分解水生成氢气和氧气，然后使用生成的氢气在一定压力和温度下的反应器中进行二氧化碳的还原生成目标产物；(3)三步反应：电化学还原二氧化碳到动力学最容易生成的产物一氧化碳，同时电化学分解水为氢气和氧气，然后将反应生成的一氧化碳和氢气在高温高压反应器(费托法)中生成目标产物。第一种方法受限于当前的技术条件难以在实际生产中使用。本发明提供了适合另外两种路径的体系和方法。

本发明公开的体系和方法优先使用来自可再生能源来驱动二氧化碳到醇的转化。但是，这些体系和方法同样适用于其他能源。