一种高效电催化还原二氧化碳的方法技术

本发明专利技术提供了一种高效电催化还原二氧化碳的方法，采用直流电源、电解单元、以及用于加热电解单元的加热装置，其中电解单元采用以阴极为支撑的中空对称结构的固体氧化物电解单元，具有机械强度大、抗氧化还原能力强、稳定性高等优势。将二氧化碳通入电解单元的阴极支撑层的中空孔道，空气通入电解池单元的阳极侧，通过将电解池单元加热至700℃以上，开启直流电流，能直接将二氧化碳电催化还原为一氧化碳。该方法操作条件简单易控、高效、清洁、能够实现二氧化碳长期稳定地电解转化。实现二氧化碳长期稳定地电解转化。实现二氧化碳长期稳定地电解转化。

【技术实现步骤摘要】
一种高效电催化还原二氧化碳的方法


[0001]本专利技术属于电化学催化技术及高温固态氧化物电解
，具体涉及一种高效电催化还原二氧化碳的方法。

技术介绍

[0002]二十一世纪以来，全球经济迅猛发展，使地球逐渐成为一个紧密联系的地球村。然而，在社会的快速发展进程中，工业生产、交通运输、用电等对能源的需求也在不断增加。与此同时，自十九世纪开始，人类大量使用化石资源，如煤、石油、天然气等，这些化石燃料是不可再生资源，并且在燃烧过程中产生了大量二氧化碳和污染物，温室气体使得全球气候变化、冰川消融，以及海平面上升。因此，在日益增长的能源需求与环境恶化的双重压力下，寻找新的清洁能源，改变目前现有的以化石燃料为主的能源格局，减少温室气体与污染物的排放迫在眉睫。
[0003]一种方法是利用清洁可再生能源产生的电力，通过电化学催化方法将二氧化碳转化为一氧化碳，进而利用费托反应生成能量值更高的燃料或化工产品，如甲烷、甲醇、乙醇、乙烯等。该方法对减少大气中现有的二氧化碳和提高可再生能源的利用具有十分重要的意义。
[0004]电化学催化转化二氧化碳主要有两种途径：一种是低温溶液电催化方法(小于373K)，另一种是高温固体氧化物电催化转化(大于873K)法。低温溶液电催化方法存在较多问题：二氧化碳分子中碳氧双键稳定而不易电解转化、二氧化碳在溶液中溶解度较低而使电流密度较低；并且，在溶液中可能会发生析氢反应，从而降低理想产物的法拉第效率。因此，目前多采用高温固体氧化物电催化转化二氧化碳，其中固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC)由于其高效、清洁、安全等优点近年来被广泛研究，目前使用较为广泛的固体氧化物电解池结构主要有管式和平板式。
[0005]管式SOEC几何结构高度对称，因此机械强度大，热稳定性高。并且，管式SOEC结构密封面积较小，密封相对容易，且便于组装，容易通过串联或并联组装成电池堆。但是，管式结构电流收集路径较长，集流不均匀，原料不能充分利用，故体积功率密度和比表面功率密度较小，且制作成本较高。
[0006]平板式SOEC结构由于较短的电流收集路径和较高的体积功率密度和比表面功率密度已经被广泛应用。平板式SOEC较管式结构制备工艺简单的多，成本低。然而，传统的平板式SOEC宏观结构不对称，在加热过程中由于热膨胀系数不匹配容易出现基体翘曲，导致其抗氧化还原的性能较差，当燃料极金属被氧化5％时，电池就会发生碎裂，这样就导致电池的储能能量密度极低且难以实现循环，且密封相对困难。
[0007]专利文献CN 110387554 A公开一种电解系统，其中的SOEC以支撑电极层为中心呈上下对称结构，工作状态时将二氧化碳和水的混合气体自支撑电极层的孔道入口通入支撑电极层的孔道，二氧化碳和水发生电解，在孔道出口获得包含CO与H2的合成气体。该电解方法中二氧化碳和水发生共电解，并非单纯的二氧化碳电解，因此容易导致二氧化碳电解不
充分，电解运行不稳定，难以实现二氧化碳的高效稳定地电解转化。

技术实现思路

[0008]针对上述技术现状，本专利技术提供一种高效电催化还原二氧化碳的方法，采用直流电源、电解单元，以及用于加热电解单元的加热装置；
[0009]所述电解单元是固体氧化物电解单元；所述电解单元以阴极为支撑层，呈上下分布结构，即，所述电解单元中，阳极层、电解质层以及活性阴极层沿厚度方向上下层叠；活性阴极层包括第一活性阴极层与第二活性阴极层，第一活性阴极层位于阴极支撑层的上表面，第二活性阴极层位于阴极支撑层的下表面；电解质层包括第一电解质层与第二电解质层，第一电解质层位于活性阴极层的上表面，第二电解质层位于活性阴极层的下表面；阳极层包括第一阳极层与第二阳极层，第一阳极层位于第一电解质层的上表面，第二阳极层位于第二电解质层的下表面；并且，阴极支撑层设置用于燃料气体流通的中空孔道；
[0010]所述第一阳极层与第二阳极层通过连接件导电连接，所述阴极支撑层、第一活性阴极层与第二活性阴极层通过集流件导电连接；直流电源的正极与所述连接件导电连接，负极与所述集流件导电连接；
[0011]加热装置加热所述电解单元至一定温度；空气通入电解单元的第一阳极层与第二阳极层，CO2通入阴极支撑层的中空孔道；直流电源开启，对电解单元通电，二氧化碳在电解单元中发生电化学催化还原反应生成CO。
[0012]作为优选，电解单元的温度在700℃以上，进一步优选为700～900℃。
[0013]作为优选，在电解二氧化碳过程中，结合电解单元材料与电解性，控制电解电压在0～2V区间内，进一步优选为1～2V。
[0014]作为优选，第一电解质层与第一阳极层之间优选设置第一阻挡层，第二电解质层与第二阳极层之间优选设置第二阻挡层。
[0015]当阴极支撑层中包含镍催化成分时，作为优选，在阴极支撑层的中空孔道通入还原性保护气体，包括但不限于H2和/或CO，以保证阴极的还原气氛以防止镍被氧化。作为优选，还原性保护气体的体积含量为5％～30％。
[0016]所述加热装置不限，包括箱式电阻炉等。
[0017]作为优选，所述第一电解质层材料为YSZ、SSZ、LSGM等，厚度优选为1μm～15μm。
[0018]作为优选，所述第二电解质层材料为YSZ、SSZ、LSGM等，厚度优选为1μm～15μm。
[0019]作为优选，所述阴极支撑层材料为Ni-YSZ、LSM-YSZ、LSCF-YSZ等，阴极支撑层厚度优选为2～50mm。
[0020]作为优选，所述第一活性阴极层厚度为5μm～100μm。
[0021]作为优选，所述第二活性阴极层厚度为5μm～100μm。
[0022]作为优选，所述第一阳极层材料为LSM、LSCF、BSFC等，厚度优选5μm～100μm。
[0023]作为优选，所述第二阳极层材料为LSM、LSCF、BSFC等，厚度优选5μm～100μm。
[0024]作为优选，所述第一阻挡层材料为GDC、ScSz等，厚度优选为1μm～5μm。
[0025]作为优选，所述第二阻挡层材料为GDC、ScSz等，厚度优选为1μm～5μm。
[0026]本专利技术采用中空对称结构的固体氧化物电解单元，将空气通入第一阳极层与第二阳极层，CO2直接通入阴极支撑层，经扩散至第一活性阴极层与第二活性阴极层进行电化学
催化还原反应得到CO，反应原理如下：
[0027]在外加电压作用下CO2发生电解产生CO和氧离子，氧离子通过电解质从燃料极侧传输至氧气极侧，氧离子在氧气极失去电子生产氧气，具体反应方程为：
[0028]阳极：O
2—
2e-＝1/2O2[0029]阴极：CO2+2e-＝CO+O
2-[0030]总反应：CO2＝CO+1/2O2[0031]因此，本专利技术中CO2转化简单易控，产生的CO选择性好，CO2转化率高，可以达到35％以上，甚至达到40％以上，并且转化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效电催化还原二氧化碳的方法，其特征是：采用直流电源、电解单元、以及用于加热电解单元的加热装置；所述电解单元为固体氧化物电解单元；所述电解单元以阴极为支撑层，呈上下分布结构，即，所述电解单元中，阳极层、电解质层以及活性阴极层沿厚度方向上下层叠；活性阴极层包括第一活性阴极层与第二活性阴极层，第一活性阴极层位于阴极支撑层的上表面，第二活性阴极层位于阴极支撑层的下表面；电解质层包括第一电解质层与第二电解质层，第一电解质层位于活性阴极层的上表面，第二电解质层位于活性阴极层的下表面；阳极层包括第一阳极层与第二阳极层，第一阳极层位于第一电解质层的上表面，第二阳极层位于第二电解质层的下表面；并且，阴极支撑层设置用于燃料气体流通的中空孔道；所述第一阳极层与第二阳极层通过连接件导电连接，所述阴极支撑层、第一活性阴极层与第二活性阴极层通过集流件导电连接；直流电源的正极与所述连接件相连，负极与所述集流件导电连接；加热装置加热所述电解单元至一定温度；空气通入所述电解单元的第一阳极层与第二阳极层，CO2通入阴极支撑层的中空孔道；直流电源开启，对所述电解单元通电，二氧化碳在电解单元中发生电化学催化还原反应生成CO。2.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢连妹，官万兵，王建新，杨钧，刘武，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：