一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法及其电池技术

本发明专利技术提供一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法及其电池，属于CO2矿化技术领域。所述方法为将阳离子交换膜置于CO2矿化电池容器中，将容器分为阳极区和阴极区，在阳极区加入芒硝和Ca(OH)2的混合溶液作为阳极电解液，阴极区加入碳酸氢钠作为阴极电解液，同时在阴极区加入化合物FMN作为阴极电催化剂，并在阳极电极和阳极电极之间施加直流电源。本发明专利技术采用具有PCET反应性质的化合物FMN作为阴极电催化剂，在低电位下形成“H‑有机”中间体取代H2作为循环介质，避免在电极上发生HER和HOR反应的高过电位，从而在大幅提高CO2矿化电池产电性能；同时不再需要贵金属Pt作为催化剂，降低CO2矿化电池的制造成本。

A method for enhancing the electricity generation performance of CO2 mineralized battery by riboflavin and its battery

The invention provides a method and a battery for enhancing the power generation performance of CO2 mineralized battery by using riboflavin, belonging to the technical field of CO2 mineralization. The method is to place cation exchange membrane in a CO2 mineralized battery container and divide the container into an anode area and a cathode area. Mixed solution of mirabilite and Ca(OH)2 is added to the anode area as an anode electrolyte, sodium bicarbonate is added to the cathode area as a cathode electrolyte, and compound FMN is added to the cathode area as a cathode electrocatalyst. A DC power supply is applied between the anode and anode electrodes. The invention uses FMN as cathode electrocatalyst with PCET reaction property to form \H_organic\ intermediate instead of H2 as circulating medium at low potential, avoids high overpotential of HER and HOR reaction on the electrode, thus greatly improves the electricity production performance of CO2 mineralized battery, and no noble metal Pt is needed as a circulating medium at the same time. The catalyst reduces the manufacturing cost of CO2 mineralized battery.

【技术实现步骤摘要】
一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法及其电池
本专利技术属于CO2矿化
，具体为一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法及其电池。
技术介绍
CO2大量排放引起的“温室效应”问题得到了广泛的关注，控制化石燃料燃烧过程排放烟气中的CO2被认为是短期内最有效的减排途径。目前减排CO2的人为技术手段中，CCS将CO2进行捕集后直接封存(如：地质封存、海洋封存和矿化封存)，是一种纯粹的环保行动，其具有CO2处理容量大的优点，但是存在泄漏和诱发地质灾害等潜在危害。CCU是将CO2捕集后再利用，CO2是一种相对稳定的化合物，将CO2转变为有用的碳氢化合物的途径所得到的产品比CO2热力学能位更高的化合物，从热力学理论来讲，只能增加过程中的能量输入，很难实现CO2的净减排，因此目前来说采用将CO2转变为有机物的方法来大规模处理CO2的难度很大。然而将CO2转变为无机碳酸盐的过程在热力学上是唯一知晓的能位降低的CO2利用途径，因此CO2矿化利用的方法可在低能耗甚至能量输出的情况下产出碳酸盐。如何在矿化利用CO2的同时，获取这部分能量是世界性的难题。在之前的研究中，专利技术人终于找到了攻克这一难题的方法并开发了矿化CO2制取碳酸氢钠或碳酸钠对外输出电能的方法(专利CN201410319920.X)，全球首次实现了将CO2矿化过程中的化学能直接转变为电能，该方法实现了一种能量输出的CO2减排利用新途径并开发了具有自主知识产权的CO2矿化电池。CO2矿化电池的基本原理是：以H2作为反应的诱导介质，在气体扩散电极和析氢电极的催化作用下，以H2的氧化反应(H2→2H++2e-)取代了传统电解方法中H2O的氧化反应(2H2O→O2+4H++4e-)，从而在低能耗下将H2O转变为H+和OH-。当在阴极区通入酸性CO2并在阳极区加入碱性固废后，阴阳两极制碱的pH差形成了CO2矿化电池的电动势。反应开始后，酸性的CO2与阴极析氢反应(HER)后生成的OH-反应，碱性固废中的OH-与阳极氢氧化反应(HOR)后生成的H+反应，同时离子在阴、阳极之间定向流动产生电流。为了进一步提高CO2矿化电池的性能，在进一步的研究方案中，本专利技术人采用芒硝和碳酸氢钠作为浸取剂，促进碱性矿物中氢氧化钙的水解，提高阳极液的pH值，从而增大CO2矿化电池的理论电势。同时由于Ca2+与SO42-或CO32-发生沉淀反应，所以省去了电池中为了阻止Ca2+透过而不得不设置的阴离子交换膜，缩短了离子定向流动的距离，从而进一步提高了产电性能(专利2017106378436；2017106379922)。CO2矿化电池采用H2/H+的氧化还原反应实现了电池内部的电流导通，然后众所周知，析氢反应的第一步是形成“H-金属”中间体，称为Volmer反应。Volmer反应被认为是H2析出的限速步骤，需要高的过电位和贵金属作为催化剂。由于HER和HOR具有较高的过电位，因此，我们认为降低电极反应的过电位具有进一步提高CO2矿化电池产电功率的可能性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新的CO2矿化发电方法和原理，利用具有质子耦合电子转移(PCET)化合物核黄素(FMN)的氧化还原反应取代电极上HER和HOR反应以及H2的循环过程，从而进一步提高CO2矿化电池的产电性能，降低CO2矿化电池的制造成本。本专利技术目的通过以下技术方案来实现：一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法，所述方法为将阳离子交换膜置于CO2矿化电池容器中，将容器分为阳极区和阴极区，在阳极区加入芒硝和Ca(OH)2的混合溶液作为阳极电解液，阴极区加入碳酸氢钠作为阴极电解液，同时在阴极区加入化合物FMN作为阴极电催化剂，并在阳极电极和阳极电极之间施加直流电源：阴阳电极形成电流通路后，将CO2通入电池的阴极区后电离为H+和HCO3-，FMN在阴极得到两个电子并与电离出的H+结合还原成FMNH2，剩下的HCO3-与从阳极区透过来的Na+结合生成NaHCO3；将阴极区生成的FMNH2循环回阳极区，在阳极区释放出电子被氧化生成FMN并释放出H+，H+进入溶液与阳极电解液中Ca(OH)2电离出的OH-发生中和反应，同时Ca2+与芒硝中的SO42-结合生成CaSO4沉淀。作为本专利技术所述一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法的一个具体实施例，所述阳极区还可以加入FMN的还原态物质FMNH2作为阳极电催化剂。作为本专利技术所述一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法的一个具体实施例，所述矿化电池容器中反应的温度为为25～100℃。作为本专利技术所述一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法的一个具体实施例，所述芒硝的浓度为0.1～2mol/L，所述阳极电解液中Ca(OH)2固体的加入量为0.1～100g/L，所述FMN浓度为0.001mol/L～0.1mol/L。作为本专利技术所述一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法的一个具体实施例，所述阴极区生成的FMNH2通过离子液体甲基咪唑六氟化磷、三辛基氧化膦进行“萃取-反萃”或者通过透析膜、纳滤膜截留处理后添加至阳极区。作为本专利技术所述一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法的一个具体实施例，所述阴极区产生的碳酸氢钠移出经蒸发、烘干可得到碳酸钠固体；所述阳极区产生的含有CaSO4沉淀的固体经过滤后作为水泥生产的原料。作为本专利技术所述一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法的一个具体实施例，所述阴阳电极为碳材料电极或由碳材料制备的多孔电极、三维结构电极。作为本专利技术所述一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法的一个具体实施例，所述碳材料电极为石墨毡、碳毡、碳纸、碳布中的一种。作为本专利技术所述一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法的一个具体实施例，阳极区、阴极区的溶液采用相应的溶液储罐储存，并通过循环泵使溶液在阳极区、阴极区与对应的储罐之间循环。本申请专利技术人基于上述核黄素能增强CO2矿化电池产电性能的方法，还提供一种CO2矿化电池，所述电池包括CO2矿化电池的壳体容器和将所述容器分隔为阳极区和阴极区的阳离子交换膜，阳极区加入芒硝和Ca(OH)2的混合溶液作为阳极电解液，阴极区加入碳酸氢钠作为阴极电解液，同时在阴极区加入化合物FMN作为阴极电催化剂，阳极区加入FMNH2作为阳极电催化剂，连接阴阳电极形成电流通路后，在阴极区通入CO2。本专利技术所提供的CO2矿化电池中，所述芒硝、含有Ca(OH)2的混合溶液、碳酸氢钠、化合物FMN、FMNH2、阴极电极、阳极电极等均如本说明书以上内容所述。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供一种利用芒硝作为反应原料，利用具有PCET的物质FMN作为催化介质，形成利用PCET反应增强CO2矿化电池产电性能的全新化学原理及方法。本专利技术采用具有PCET反应性质的化合物FMN作为阴极电解液，在低电位下形成“H-有机”中间体取代H2作为循环介质，避免在电极上发生HER和HOR反应的高过电位，从而大幅提高CO2矿化电池产电性能；同时不再需要贵金属Pt作为催化剂，降低CO2矿化电池的制造成本。附图说明图1为FMN和KHCO3的混合溶液在扫速为25mV/S下测试FMN的循环伏安曲线。图2为不同pH值下FMN本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法，其特征在于，所述方法为将阳离子交换膜置于CO2矿化电池容器中，将容器分为阳极区和阴极区，在阳极区加入芒硝和Ca(OH)2的混合溶液作为阳极电解液，阴极区加入碳酸氢钠作为阴极电解液，同时在阴极区加入化合物FMN作为阴极电催化剂，并在阳极电极和阳极电极之间施加直流电源：阴阳电极形成电流通路后，将CO2通入电池的阴极区后电离为H+和HCO3‑，FMN在阴极得到两个电子并与电离出的H+结合还原成FMNH2，剩下的HCO3‑与从阳极区透过来的Na+结合生成NaHCO3；将阴极区生成的FMNH2循环回阳极区，在阳极区释放出电子被氧化生成FMN并释放出H+，H+进入溶液与阳极电解液中Ca(OH)2电离出的OH‑发生中和反应，同时Ca2+与芒硝中的SO42‑结合生成CaSO4沉淀。

【技术特征摘要】
1.一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法，其特征在于，所述方法为将阳离子交换膜置于CO2矿化电池容器中，将容器分为阳极区和阴极区，在阳极区加入芒硝和Ca(OH)2的混合溶液作为阳极电解液，阴极区加入碳酸氢钠作为阴极电解液，同时在阴极区加入化合物FMN作为阴极电催化剂，并在阳极电极和阳极电极之间施加直流电源：阴阳电极形成电流通路后，将CO2通入电池的阴极区后电离为H+和HCO3-，FMN在阴极得到两个电子并与电离出的H+结合还原成FMNH2，剩下的HCO3-与从阳极区透过来的Na+结合生成NaHCO3；将阴极区生成的FMNH2循环回阳极区，在阳极区释放出电子被氧化生成FMN并释放出H+，H+进入溶液与阳极电解液中Ca(OH)2电离出的OH-发生中和反应，同时Ca2+与芒硝中的SO42-结合生成CaSO4沉淀。2.如权利要求1所述一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法，其特征在于，所述阳极区还可以加入FMN的还原态物质FMNH2作为阳极电催化剂。3.如权利要求1所述一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法，其特征在于，所述矿化电池容器中反应的温度为为25～100℃。4.如权利要求1所述一种利用核黄素增强CO2矿化电池产电性能的方法，其特征在于，所述芒硝的浓度为0.1～2mol/L，所述阳极电解液中Ca(OH)2固体的加入量为0.1～100g/L，所述FMN浓度为0.001mol/L～0.1mol/L。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：王昱飞，谢和平，刘涛，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51