使用电解系统电解还原二氧化碳时提高二氧化碳转化率的方法技术方案

本发明专利技术提供一种使用电解系统电解还原二氧化碳时提高二氧化碳转化率的方法。电解系统包括直流电源、电解池以及用于加热电解池的加热单元，电解池是阴极支撑的对称型固体氧化物电解池。该方法选用以γ

【技术实现步骤摘要】
使用电解系统电解还原二氧化碳时提高二氧化碳转化率的方法


[0001]本专利技术属于电化学技术及高温固态氧化物电解
，具体涉及一种使用电解系统电解还原二氧化碳时提高二氧化碳转化率的方法。

技术介绍

[0002]人类文明自工业革命以来，大量消耗化石燃料等不可再生能源，消耗过程中未能及时处理产生的废气，使CO2不断排入大气层，导致愈来愈明显的温室效应。怎样有效控制CO2这类温室气体的排放，减缓温室效应造成的环境问题已成为人类文明面临的重大难题之一。
[0003]通过电化学技术将CO2转化为合成气或者其他含碳燃料，对减少CO2的排放和提高可再生资源的转化利用具有十分重要的意义。目前，为实现CO2的转化，使用较多的是基于质子交换膜电解质的中低温电解池，采用较为昂贵的铂金属作为催化剂，成本较高，而且对产物的分离调控非常困难。为了降低成本，有学者提出基于熔融盐电解池的CO2转化法，但熔融盐电解池在直接电解CO2时，燃料极经常会发生积碳的问题，从而导致电解池性能的明显下降，另一方面，由于熔融盐电解池采用的是熔融态电解质，对密封的要求更加苛刻，而且还产生了电解液泄露的隐患。
[0004]为此，有研究提出采用基于陶瓷电解质的固体氧化物电解池在中高温条件实现CO2的转化利用。固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC)是固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的逆反应过程，是一种高效、低污染的能量转换装置，运行温度在600-800℃，将CO2、水蒸气转化为CO、H2等燃料气。由于固体氧化物电解池的运行温度较高，对电能的需求较低。但是，使用固体氧化物电解池电解还原二氧化碳存在CO2反应位点有限的问题，仍然有待高效实现CO2向CO燃料气的转化。

技术实现思路

[0005]针对上述技术现状，本专利技术旨在采用包括固体氧化物电解池的电解系统电解还原二氧化碳时提高二氧化碳的转换率，实现CO2向CO燃料气的高效转化。
[0006]为了实现上述技术目的，本专利技术人在电解模式运行过程中发现在电解池的燃料极支撑体孔道中加入CuFe/Al2O3作为催化剂条件下通入水蒸气与CO2，能够在保证电性能正常的同时提高CO2的电解还原转化率。
[0007]即，本专利技术的技术方案为：使用电解系统电解还原二氧化碳时提高二氧化碳转化率的方法，所述的电解系统包括直流电源、电解池，以及用于加热电解池的加热单元；
[0008]所述电解池是固体氧化物电解池；所述电解池以阴极为支撑层，呈上下分布结构，即，所述电解池中，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
解质层位于第一活性阴极层的上表面，第二电解质层位于第二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孔道；
[0009]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；
[0010]其特征是：加热单元加热电解池，使电解池的温度达到600℃以上，将催化剂加入所述孔道，第一阳极层与第二阳极层与空气相接触，将二氧化碳和水的混合气体通入所述孔道，开启直流电源，发生电解还原反应，获得CO与H2；
[0011]所述催化剂以γ-Al2O3为载体，Cu原子与Fe原子吸附在载体表面，记作CuFe/Al2O3。
[0012]作为优选，所述第一电解质材料为YSZ、SSZ、LSGM等中的一种或者几种，厚度优选为8μm～10μm。
[0013]作为优选，所述第二电解质材料为YSZ、SSZ、LSGM等中的一种或者几种，厚度优选为8μm～10μm。
[0014]作为优选，所述第一支撑层材料为Ni-YSZ、LSM-YSZ、LSCF-YSZ等中的一种或者几种，厚度优选为50mm～80mm。
[0015]作为优选，所述第二支撑层材料为Ni-YSZ、LSM-YSZ、LSCF-YSZ等中的一种或者几种，厚度优选为50mm～80mm。
[0016]作为优选，所述第一电解质层与第一阳极层之间设置第一阻隔层，所述第二电解质层与第二阳极层之间设置第二阻隔层。
[0017]作为优选，所述第一阻隔层优选为GDC，厚度优选为2μm～3μm。
[0018]作为优选，所述第二阻隔层优选为GDC，厚度优选为2μm～3μm。
[0019]作为优选，所述第一阳极层材料LSM、LSCF、BSFC等中的一种或者几种，厚度优选为20μm～25μm。
[0020]作为优选，所述第二阳极层材料LSM、LSCF、BSFC等中的一种或者几种，厚度优选为20μm～25μm。
[0021]作为优选，所述混合气中水蒸气的含量不低于5％。
[0022]作为优选，电解池的温度为600-800℃。
[0023]作为优选，在电解过程中，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。
[0024]当阴极支撑层中包含镍等成分时在电解过程中易发生氧化，作为优选，在阴极支撑层的孔道中还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从而防止阴极支撑层材料被氧化，在这种情况下，直流电源不通电，在孔道出口会获得一定含量的CO与H2。
[0025]作为优选，还原性保护气体的体积含量为5％～30％。
[0026]所述加热单元不限，包括箱式电阻炉等。
[0027]作为一种实现方式，所述催化剂的制备方法如下：
[0028](1)称取一定质量的三水硝酸铜和九水硝酸铁结晶水合物放入烧杯中，加适量的
去离子水搅拌使其充分溶解，得到前驱体溶液；
[0029](2)采用多孔的γ-Al2O3作为载体，称取一定质量的γ-Al2O3加入到所述前驱体溶液中，使Cu
2+
、Fe
3+
吸附于γ-Al2O3表面，然后干燥处理，蒸发溶剂；
[0030](3)将步骤(2)处理后得到的干燥产物进行热处理，然后通入适量的H2进行还原处理，降温后取出，得到CuFe/Al2O3。
[0031]作为优选，所述的步骤(3)中，热处理温度为600-700℃。
[0032]作为优选，将步骤(3)得到的产物研磨形成粉末，对粉末施加一定的压力，并保压一定时间，之后取出进行破碎、过筛，得到小颗粒。
[0033]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0034](1)采用基于陶瓷电解质的固体氧化物电解单元，与直流电源、加热单元共同构成电解系统，是一种高效、稳定、低污染的能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.使用电解系统电解还原二氧化碳时提高二氧化碳转化率的方法，所述的电解系统包括直流电源、电解池，以及用于加热电解池的加热单元；所述电解池是固体氧化物电解池；所述电解池以阴极为支撑层，呈上下分布结构，即，所述电解池中，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，第一电解质层位于第一活性阴极层的上表面，第二电解质层位于第二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导电连接，负极与所述集流件导电连接；其特征是：加热单元加热电解池，使电解池的温度达到600℃以上，将催化剂加入所述孔道，第一阳极层与第二阳极层与空气相接触，将二氧化碳和水的混合气体通入所述孔道，开启直流电源，发生电解还原，获得CO与H2；所述催化剂以γ-Al2O3为载体，Cu原子与Fe原子吸附在载体表面，记作CuFe/Al2O3。2.如权利要求1所述的使用电解系统电解还原二氧化碳时提高二氧化碳转化率的方法，其特征是：所述催化剂的制备方法包括如下步骤：(1)称取一定质量的三水硝酸铜和九水硝酸铁结晶水合物放入烧杯中，加适量的去离子水搅拌使其充分溶解，得到前驱体溶液；(2)采用多孔的γ-Al2O3作为载体，称取一定质量的γ-Al2O3加入到所述前驱体溶液中，使Cu
2+
、Fe
3+
吸附于γ-Al2O3表面，然后干燥处理，蒸发溶剂；(3)将步骤(2)处理后得到的干燥产物进行热处理，然后通入适量的H2进行还原处理，降温后取出，得到CuFe/Al2O3。3.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈璐，杨钧，王建新，官万兵，
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：