电化学还原二氧化碳以改质烃原料制造技术

一种具有固体氧化物电解池(SOEC)的系统和方法，包括将二氧化碳和烯烃进料至SOEC以及从SOEC排出一氧化碳和烯烃氧化物，其中该烯烃氧化物对应于该烯烃。氧化物对应于该烯烃。氧化物对应于该烯烃。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电化学还原二氧化碳以改质烃原料
优先权声明
[0001]本专利申请要求于2019年12月6日提交的希腊专利申请号20190100550和于2020年2月10日提交的美国专利申请号16/786,858的优先权，其全部披露内容通过引用并入本文。


[0002]本披露内容涉及电化学还原二氧化碳以产生用于对原料改质的氧阴离子。

技术介绍

[0003]二氧化碳(CO2)是通过人类活动排放的主要温室气体。二氧化碳可能在各种工业和化工厂设施中产生。在这样的设施处，利用CO2作为原料可以减少该设施处的CO2排放并且因此减小该设施的CO2足迹。温室气体CO2转化成增值产品会是有益的。

技术实现思路

[0004]一个方面涉及一种操作具有固体氧化物电解池(SOEC)的系统的方法。该方法包括将二氧化碳和烯烃进料至SOEC、调节进料至SOEC的烯烃的量、并且从SOEC排出一氧化碳和烯烃氧化物，其中该烯烃氧化物对应于该烯烃。
[0005]另一个方面涉及一种操作具有SOEC的系统的方法。该方法包括在SOEC的阴极处接收电流并且经由电流的电子在阴极处电化学还原二氧化碳以产生一氧化碳和氧离子。该方法包括使氧离子通过包括固体氧化物的固体电解质扩散而到达SOEC的阳极并且在阳极处经由氧离子将烯烃氧化成烯烃氧化物。
[0006]又另一个方面涉及一种具有接收二氧化碳和烯烃并排出一氧化碳和烯烃氧化物的SOEC的系统。该系统包括用于向SOEC供应烯烃的导管。沿导管设置控制阀以调节供应至SOEC的烯烃的量。该系统包括用于向SOEC供应二氧化碳的第二导管。
[0007]又另一个方面涉及一种包括SOEC的SOEC系统。SOEC包括阴极，用于将二氧化碳电化学还原成一氧化碳和氧离子并且将氧离子排到SOEC的固体电解质中。SOEC包括阳极，用于经由固体电解质从阴极接收氧离子并且用氧离子将烯烃氧化成对应于烯烃的烯烃氧化物。SOEC系统包括用于向SOEC的阴极侧供应二氧化碳的进料导管。阴极侧包括阴极。SOEC系统包括用于向SOEC的阳极侧供应烯烃的第二进料导管。阳极侧包括阳极。
[0008]在以下附图和描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。其他特征和优点将是从说明书和附图以及从权利要求书中很明显的。
附图说明
[0009]图1是具有固体氧化物电解池(SOEC)的系统的图。
[0010]图2是催化反应器的图。
[0011]图3是操作具有SOEC的系统的方法的流程框图。
具体实施方式
[0012]本披露内容涉及电化学还原二氧化碳(CO2)以产生用于对包括低价值原料在内的原料改质的氧阴离子。例如，实施例涉及电化学还原CO2以产生用于改质烯烃原料的氧阴离子。一些方面涉及电化学还原CO2以产生用于将烯烃氧化成烯烃氧化物的氧阴离子。烯烃氧化物可以用作产生更高价值烃的前体(或用来产生前体)。本技术可以将烯烃(典型地是商业化学品)改质成更增值的烃产物。
[0013]如所指出的，本技术的实施例涉及CO2的电化学还原。以电催化方式产生一氧化碳(CO)和烯烃氧化物。烯烃氧化物可以是例如环氧乙烷、酸性环己烯(acidcyclohexene)、环氧丙烷等。烯烃氧化物随后可以被催化转化成烃(例如，高价值烃)。
[0014]本技术可以电化学还原CO2(在阴极处)以提供用于将烯烃(在阳极处)氧化成烯烃氧化物的氧离子。因此，烯烃氧化物的产生涉及CO2。实施例可以包括在阴极处电化学还原CO2以提供氧离子，氧离子扩散至阳极而在阳极处将烯烃氧化成烯烃氧化物。
[0015]可以使用固体氧化物电解池(SOEC)将CO2电化学还原并产生烯烃氧化物。在阴极上，CO2被还原成CO和氧离子物质(O2‑
)。O2‑
经由固体电解质扩散至阳极侧。固体电解质可以是氧化钇稳定化的氧化锆(YSZ)、氧化铈(IV)(CeO2)、或传导氧离子的其他材料。烯烃被进料至阳极侧并在阳极上被扩散的氧离子部分地氧化而形成烯烃氧化物(C
x
H
2x
O)。可以将产生的CO和C
x
H
2x
O进料至(多个)催化反应器以产生高价值烃，诸如丙烯酸、醇、醚、酯等。
[0016]为了在有机合成中利用CO2作为可再生的一碳(C1)结构单元，已经尝试通过使乙烯与CO2反应来合成环氧乙烷。然而，此种反应的热力学限制可能是成问题的。
[0017]尽管丙烯酸主要是由丙烯经由两阶段氧化来生产，但环氧乙烷生产的益处在于，环氧乙烷可以是生产丙烯酸的前体(或用来产生前体)。依赖乙烯产生环氧乙烷来生产丙烯酸可以降低丙烯酸的生产成本。依赖乙烯而不是丙烯来生产丙烯酸可以降低生产成本，尤其是当乙烯大量供应时。本文中某些实施例可以通过CO2的电化学还原将乙烯转化成环氧乙烷。然后环氧乙烷可以用于生产丙烯酸或其他烃。
[0018]如对于本专利技术的实施例所讨论的，通过CO2的电化学还原来生产烃。首先，将CO2和烯烃进料至SOEC以产生烯烃氧化物。接着，可以将所产生的烯烃氧化物进料至(多个)催化反应器以由烯烃氧化物生产一种或多种烃。
[0019]为了产生烯烃氧化物，将气态CO2进料到SOEC的阴极侧以产生CO和O2‑
离子。这些O2‑
离子扩散通过固体电解质(例如，超稳定化氧化锆或可以传导O2‑
离子的其他材料)而到达SOEC的阳极侧。将烯烃(C
x
H
2x
)进料至阳极侧以释放电子(每个烯烃分子)并形成相应的烯烃氧化物(C
x
H
2x
O)。
[0020]在某些实施例中，进料至SOEC阴极侧的CO2流可以主要是CO2，诸如大于50重量百分比(wt％)的CO2、大于80wt％的CO2、或大于90wt％的CO2。在其他实施例中，CO2可以是一种组分，占进料至SOEC的阴极侧的流的小于50wt％。
[0021]在一些实施例中，进料至阴极侧的流可以包括CO2和水(H2O)两者。H2O也可以在SOEC阴极处经历电化学还原而产生O2‑
离子，其迁移至阳极侧。在特别的实施方式中，供应至SOEC阴极侧的流可以是具有CO2和H2O以及另外的化合物的烟道气。
[0022]SOEC典型地具有与固体氧化物燃料电池(SOFC)相同或类似的组成部分(例如，阴极、阳极和电解质)，但与SOFC相比通常是可逆地操作。SOFC产生电。相比之下，SOEC依赖于
电子源(外部电力源)。用于使SOEC运行的热和电可以由可再生资源(诸如太阳能、风力、地热、或水电)产生。可以向SOEC施加热以维持SOEC(包括电化学还原)的期望操作温度。可以例如通过电阻加热(例如，在SOEC电极处)、蒸汽夹套、太阳能加热系统等向SOEC施加热。在实施方式中，由SOEC进行的CO2电解可以在700℃至900℃范围内的温度下并且在大气压下进行。SOEC电极(阴极和阳极)的材料可以基于陶瓷材料，其通过还原
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种操作具有固体氧化物电解池(SOEC)的系统的方法，包括：将二氧化碳和烯烃进料至该SOEC；从该SOEC排出一氧化碳和烯烃氧化物，其中该烯烃氧化物对应于该烯烃；以及调节进料至该SOEC的该烯烃的量。2.如权利要求1所述的方法，包括：向该SOEC的阴极供应电流；以及在该阴极处将该二氧化碳电化学还原成该一氧化碳，其中电化学还原该二氧化碳产生了氧离子。3.如权利要求2所述的方法，包括调节供应至该阴极的电流的量。4.如权利要求2所述的方法，包括：使这些氧离子扩散通过该SOEC的固体电解质而到达该SOEC的阳极；以及在该阳极处经由这些氧离子将该烯烃氧化成该烯烃氧化物。5.如权利要求1所述的方法，包括：将水(H2O)进料至该SOEC；在该SOEC的阴极处将该水电化学还原成氢气(H2)，其中电化学还原该水产生了氧离子；以及从该SOEC排出该氢气。6.如权利要求5所述的方法，其中，进料该二氧化碳和进料该水包括将烟道气进料至该SOEC。7.如权利要求1所述的方法，其中，排出该烯烃氧化物包括将该烯烃氧化物排出至催化反应器，并且其中，该方法包括经由该催化反应器将该烯烃氧化物转化成丙烯酸、醇、醚、酯、或用于丙烯酸的前体中的至少一种。8.如权利要求7所述的方法，其中，该催化反应器包括一系列催化反应器，并且其中，将该烯烃氧化物转化成丙烯酸。9.如权利要求8所述的方法，并且其中，将该烯烃氧化物转化成丙烯酸包括将该烯烃氧化物转化成该前体，该前体被转化成丙烯酸，并且其中，该烯烃氧化物包括环氧乙烷。10.一种操作具有固体氧化物电解池(SOEC)的系统的方法，包括：在该SOEC的阴极处接收电流；经由该电流的电子在该阴极处电化学还原二氧化碳以产生一氧化碳和氧离子；使这些氧离子扩散通过包括固体氧化物的固体电解质而到达该SOEC的阳极；以及在该阳极处经由这些氧离子将烯烃氧化成烯烃氧化物。11.如权利要求10所述的方法，包括调节在该阴极处所接收的电流的量。12.如权利要求10所述的方法，包括经由该电流的电子在该阴极处电化学还原水以产生氢气和氧离子。13.如权利要求12所述的方法，包括向该SOEC的阴极侧供应包括该二氧化碳和该水的烟道气。14.如权利要求10所述的方法，包括调节在该阳极处所接收的该烯烃的量。15.如权利要求10所述的方法，包括将该烯烃氧化物从该SOEC的阳极侧排出至催化反应器，并经由该催化反应器将该烯烃氧化物转化成包括烃的化合物。
16.如权利要求15所述的方法，其中，该催化反应器包括一系列催化反应器中的第一反应器。17.如权利要求15所述的方法，其中，该催化反应器包括一系列催化反应器。18.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾哈迈德，
申请(专利权)人：沙特阿拉伯石油公司，
类型：发明
国别省市：