【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在电解池中碳酸盐转化为合成气或C2+产物
[0001]该
通常涉及合成气和其他碳基化合物的电合成，更具体地涉及在电解池中将碳酸盐电催化转化为合成气或碳基化合物的技术。
技术介绍
[0002]CO2价值化过程
‑
从捕获CO2到电化学升级
‑
需要大量的用于捕获、升级和分离步骤的投入。使用由捕获
‑
释放阶段产生然后送入CO2电解还原阶段的气相CO2，会导致显著的浪费，增加系统CO2管理方面的成本和能量消耗。例如，80％至95％之间的CO2可能由于不需要的化合物和/或电解液改变的形成而被浪费掉。需要至少克服现有CO2捕获和转化技术的一些缺点的技术。
技术实现思路
[0003]在一些实施方式中，提供了一种在电解池中将碳酸盐转化为合成气的电解方法，包括：提供包含碳酸根离子(CO
32
‑
)且pH高于11的碳酸盐负载溶液；将碳酸盐负载溶液送入电解池的阴极室，阴极室包括阴极；将电解液送入电解池的阳极室，阳极室包括阳极；在阳极和阴极之间施加电...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种在电解池中将碳酸盐转化为合成气的电解方法，包括：提供包含碳酸根离子(CO
32
‑
)且pH高于11的碳酸盐负载溶液；将所述碳酸盐负载溶液送入所述电解池的阴极室，所述阴极室包括阴极；将电解液送入所述电解池的阳极室，所述阳极室包括阳极；在所述阳极和所述阴极之间施加电压；在所述电解池内生成质子，并在所述阴极室内提供所述质子，与所述碳酸盐反应以形成CO2和水；在所述阴极将所述CO2电催化转化为所述合成气，并产生碳酸盐贫液；从所述阴极室回收所述碳酸盐贫液和所述合成气，并从所述碳酸盐贫液中分离出所述合成气。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳酸盐负载溶液包括碳酸钾。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述碳酸盐负载溶液包括碳酸钠。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳酸盐负载溶液的CO
32
‑
浓度至少为0.5M并低于2.5M。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳酸盐负载溶液的CO
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浓度至少为0.7M并低于2.2M，任选地为0.8至2.1M之间，进一步任选地为1M至2M之间，并且仍进一步任选地为1.2M至1.8M之间。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，产生所述合成气，所述合成气的H2：CO比值为大约2：1至4：1，任选地为大约5：2至7：2，并且进一步任选地为大约3：1。7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括将所述合成气的至少一部分提供给费托反应单元，以从中产生碳氢化合物。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述阴极包括银(Ag)。9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述阳极包括镍(Ni)。10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，以100至500mA/cm2之间或100至300mA/cm2之间或150至250mA/cm2之间的电流密度运行所述电解池。11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，送入所述阳极室的所述电解液包括水和氢氧化钾(KOH)，任选地其中所述电解液包括pH为7至14的水溶液，优选地为KOH、NaOH和/或CsOH溶液。12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，从所述阴极室除去的所述碳酸盐贫液的至少一部分用作至少部分的吸收液，提供给接收含CO2气体并产生CO2贫化气和吸收器负载溶液的CO2吸收器。13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述吸收器负载溶液的至少一部分用作送入所述阴极室的所述碳酸盐负载溶液的至少一部分。14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，将所述吸收器负载溶液的全部送入所述阴极室，作为所述碳酸盐负载溶液。15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，将从所述阴极室中去除的所述碳酸盐贫液的回收部分回收送入所述阴极室的所述碳酸盐负载溶液中。16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，使用位于所述电解池中的双极膜，生成所述质子。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，将所述双极膜放置以提供从所述阳极室到所述阴极室的流体分离。18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述双极膜配置为使水分解以生成所述质子和氢氧根离子，其中所述质子移入所述阴极室以与所述碳酸盐反应，所述氢氧根离子移入所述阳极室。19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述双极膜包括限定所述阳极室的一侧的阴离子交换层和限定所述阴极室的一侧的阳离子交换层，并且其中所述双极膜配置为，当超过给定的电势差时，水被分解成所述质子和所述氢氧根离子；并且任选地其中所述阴离子交换层包括咪唑基化合物、季铵基化合物和/或鏻基化合物或其任何衍生物或聚合物；并且任选地其中所述阳离子交换层包括全氟磺酸聚合物。20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述给定的电势差大约为0.8V；和/或任选地其中所述阳离子交换层的pKa为大约
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1至3、
‑
0.5至2、0至1.5，或1。21.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于，所述双极膜是机械增强的，任选地使用编织聚合物材料，所述编织聚合物材料任选地为PEEK、聚酯、聚丙烯和/或全氟烷氧基。22.根据权利要求16至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述阴极室和所述阳极室由包括侧壁的壳体限定，并且从所述阳极室到所述阴极室的分离仅由放置于所述壳体内的所述双极膜提供。23.根据权利要求1至22中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述碳酸盐负载溶液的CO
32
‑
浓度，以受控的方式生成所述质子，以在所述阴极室内将所述碳酸盐的至少30％、至少40％、至少50％或至少60％原位转化为CO2。24.根据权利要求1至23中任一项所述的方法，其特征在于，所述质子以数量1e
‑
6至5e
‑
6、1e
‑
6至3e
‑
6或1.5e
‑
6至2.5e
‑
6摩尔/秒每1平方厘米电极面积生成。25.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳酸盐负载溶液的pH在进入所述阴极室时高于11.5，或者在进入所述阴极室时高于12。26.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳酸盐贫液的pH在离开所述阴极室时比所述碳酸盐负载溶液低0.2至0.4。27.根据权利要求1至26中任一项所述的方法，其特征在于，所述合成气和所述碳酸盐贫液作为单一物流从所述阴极室中去除并且在下游分离阶段分离，或者其中所述合成气和所述碳酸盐贫液作为单独物流从所述阴极室中去除。28.根据权利要求1至27中任一项所述的方法，其特征在于，所述阴极包括多孔底物和设置在其上的催化金属；并且任选地其中所述多孔底物是亲水性的，任选地由碳纸组成，进一步任选地用紫外线(UV)辐射进行预处理以增加亲水性；并且任选地其中在亲水性方面，所述底物的接触角为小于40
°
、小于30
°
、小于20
°
或小于10
°
。29.根据权利要求1至28中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳酸盐负载溶液中的所述碳酸根离子全部、大部分或部分来自从烟道气或空气中提取的CO2。30.一种在电解池中将碳酸盐转化为碳基产物的电解方法，包括：将包含碳酸根离子(CO
32
‑
)且pH高于10的碳酸盐负载溶液送入所述电解池的阴极室，所述阴极室包括阴极；将电解液送入所述电解池的阳极室，所述阳极室包括阳极；
在所述阳极和所述阴极之间施加电压；在所述电解池内原位生成质子，并在所述阴极室内提供所述质子，以与所述碳酸盐反应以形成CO2和水，所述质子通过放置于所述阴极室和所述阳极室之间的双极膜生成；在所述阴极通过电解还原将CO2电催化转化为所述碳基产物，并产生碳酸盐贫液；以及从所述阴极室回收所述碳酸盐贫液和所述碳基产物，并将所述碳酸盐贫液与所述碳基产物进行分离。31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述碳基产物包括CO。32.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述碳基产物包括C2+碳化合物。33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述C2+碳化合物包括乙烯。34.根据权利要求32或33所述的方法，其特征在于，所述C2+碳化合物包括乙醇。35.根据权利要求32至34中任一项所述的方法，其特征在于，所述C2+碳化合物包括甲酸盐、醋酸盐和/或丙醇。36.根据权利要求30至35中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳基产物包括甲烷。37.根据权利要求30至36中任一项所述的方法，其特征在于，产生多种碳基产物，并且所述方法进一步包括将目标碳化合物从所述碳基产物中分离。38.根据权利要求30至37中任一项所述的方法，其特征在于，所述阴极包括Cu。39.根据权利要求30至38中任一项所述的方法，其特征在于，所述阴极包括Ag。40.根据权利要求30至39中任一项所述的方法，其特征在于，所述阴极包括催化金属，所述催化金属包括Cu和Ag。41.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述催化金属包括金属合金，所述金属合金包括主要催化金属和次要金属。42.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述主要催化金属包括Cu，并且所述次要金属包括Ag。43.根据权利要求41或42所述的方法，其特征在于，所述金属合金通过共溅射设置在多孔底物上。44.根据权利要求43所述的方法，其特征在于，所述主要催化金属在150W至250W时，任选地在180W至220W时溅射；并且/或者所述次要金属在20W至120W时，任选地在30W至50W时溅射。45.根据权利要求41或42所述的方法，其特征在于，所述金属合金通过电镀溅射设置在多孔底物上。46.根据权利要求45所述的方法，其特征在于，所述金属合金是通过将所述主要催化金属沉积在所述多孔底物上，然后将所述沉积的主要催化金属与包括所述次要金属的离子的溶液接触，以将所述沉积的主要催化金属的表面掺杂所述次要金属而形成的；任选地其中所述次要金属的摩尔表面浓度为10％至30％之间。47.根据权利要求46所述的方法，其特征在于，所述主要金属为Cu并通过溅射沉积，所述次要金属为Ag，并作为AgNO3溶液被提供，所述沉积的Cu浸没在所述AgNO3溶液中。48.根据权利要求30至47中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳酸盐负载溶液包括碳酸钾。49.根据权利要求30至48中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳酸盐负载溶液包括
碳酸钠。50.根据权利要求30至49中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳酸盐负载溶液的CO
32
‑
浓度为至少0.5M或至少1M。51.根据权利要求30至50中任一项所述的方法，其特征在于，所述阳极包括镍(Ni)和/或下列中的一个或多个：NiFeO
x
、FeCoO
x
、IrO
x
、RuO
x
和CoO
x
。52.根据权利要求30至51中任一项所述的方法，其特征在于，所述电解池以100至300mA/cm2之间或150至250mA/cm2之间或150至200mA/cm2之间的电流密度运行。53.根据权利要求30至52中任一项所述的方法，其特征在于，送入所述阳极室的所述电解液包括水和氢氧化钾(KOH)。54.根据权利要求30至53中任一项所述的方法，其特征在于，从所述阴极室除去的所述碳酸盐贫液的至少一部分用作至少部分的吸收液，将所述至少部分的吸收液提供给CO2吸收器，所述CO2吸收器接收含CO2气体并产生CO2贫化气和吸收器负载溶液。55.根据权利要求54所述的方法，其特征在于，所述吸收器负载溶液的至少一部分用作送入所述阴极室的所述碳酸盐负载溶液的至少一部分。56.根据权利要求55所述的方法，其特征在于，将所述吸收器负载溶液的全部送入所述阴极室，作为所述碳酸盐负载溶液。57.根据权利要求30至56中任一项所述的方法，其特征在于，将从所述阴极室中去除的所述碳酸盐贫液的回收部分回收送入所述阴极室的所述碳酸盐负载溶液中。58.根据权利要求30至57中任一项所述的方法，其特征在于，所述双极膜包括限定所述阳极室的一侧的阴离子交换层和限定所述阴极室的一侧的阳离子交换层，并且其中所述双极膜配置为，当超过给定的电势差时，水被分解成所述质子和所述氢氧根离子。59.根据权利要求58所述的方法，其特征在于，所述给定的电势差大约为0.8V，其中所述双极膜是用编织聚合物材料机械增强的。60.根据权利要求30至59中任一项所述的方法，其特征在于，所述阴极室和所述阳极室由包括侧壁的壳体限定，并且从所述阳极室到所述阴极室的分离仅由放置于所述壳体内的所述双极膜提供，并且任选地其中所述双极膜关于所述阴极和所述阳极成平行关系设置。61.根据权利要求30至60中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述碳酸盐负载溶液的CO
32
‑
浓度，以受控的方式通过所述双极膜生成所述质子，以在所述阴极室内将所述碳酸盐的至少40％、至少50％或至少60％原位转化为CO2。62.根据权利要求30至61中任一项所述的方法，其特征在于，所述质子以数量1e
‑
6至5e
‑
6、1e
‑
6至3e
‑
6或1.5e
‑
6至2.5e
‑
6摩尔/秒每1平方厘米电极面积生成。63.根据权利要求30至62中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳酸盐负载溶液的pH在进入所述阴极室时高于11、高于11.5、高于12、高于12.5或高于13。64.根据权利要求30至63中任一项所述的方法，其特征在于，所述含碳酸盐贫液的pH在离开所述阴极室时比所述碳酸盐负载溶液的pH低0.2至0.5。65.根据权利要求30至64中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳基产物和所述碳酸盐贫液从所述阴极室中作为单一物流去除并且在下游分离阶段分离，或者其中所述碳基产物和所述碳酸盐贫液作为单独物流从所述阴极室中去除。66.根据权利要求65所述的方法，其特征在于，所述碳基产物作为气相生成。
67.根据权利要求65所述的方法，其特征在于，将所述气相碳基产物使用气液分离器从所述液相碳酸盐贫液中去除。68.根据权利要求30至67中任一项所述的方法，其特征在于，所述阴极包括多孔底物和设置在其上的催化金属；并且任选地其中所述多孔底物是亲水性的，任选地由碳纸组成，进一步任选地用紫外线(UV)辐射进行预处理以增加亲水性；并且任选地其中在亲水性方面，所述底物的接触角为小于40
°
、小于30
°
、小于20
°
或小于10
°
；并且任选地其中所述底物由石墨、Ni、Fe、Cu、Ti、不锈钢组成并且为泡沫、板或网。69.根据权利要求30...
【专利技术属性】
技术研发人员：宇光，
申请(专利权)人：多伦多大学管理委员会，
类型：发明
国别省市：
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