二氧化碳在离子液体中的电化学还原方法和装置

摘要

本发明是二氧化碳在离子液体中的电化学还原方法和装置。在电化学反应装置中的阴极室内注入离子液体，并通入二氧化碳，在阳极双极板内侧通入氢气，氢气在阳极上被氧化，生成氢离子，H+穿过质子交换膜到达阴极，电子则通过外电路转移到阴极，二氧化碳和H+在阴极上发生电化学还原反应，生成甲醇等有机化合物，生成的有机化合物经精馏，得到甲醇、水和其他副反应产物。本发明的上述离子液体具有很高的电导率和离子迁移率，适合作为电化学反应的介质体系，同时上述离子液体具有挥发性低和毒性小的优点。H+的竞争反应被抑制，而且由于二氧化碳在上述离子液体中的溶解度很高，二氧化碳的电还原反应效率也较高，本发明的电化学方法，利用CO2生成甲醇等有机化合物(副产物为甲酸、甲醛等)，实现了CO2的资源化。

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化碳在离子液体中的电化学还原方法和装置。

背景技术

用电化学方法将二氧化碳转化为甲醇等有机化合物是实现二氧化碳资源化的一条重要途径，二氧化碳的电化学还原反应可在水溶液中进行，也可在非水体系中进行[1]。在水溶液中，二氧化碳的电还原反应遇到的主要问题有：①二氧化碳发生电还原反应的电流效率低；②二氧化碳在水溶液中溶解度过低。在非水溶剂中，二氧化碳的电化学还原反应遇到的主要问题：①常用的三种有机溶剂(乙腈、二甲基甲酰胺和二甲亚砜)有挥发性，并且有毒副作用；②水对上述三种有机溶剂的电化学性质有很大的影响，溶剂使用前需要经过精制处理，必须除去溶剂中的水分，但二氧化碳在发生电化学还原反应的过程中却有水生成。由于上述原因，探索新的电解液体系十分必要。

参考文献：

[1]张丽，罗仪文，钮东方，肖丽平，陆嘉星，CO₂在铜电极上的电还原行为.高等学校化学学报，2007(28)1660-1662.

发明内容

本发明的目的是提供一种方法，使二氧化碳在离子液体中发生电化学还原反应，并生成甲醇等有机化合物(副产物为甲酸、甲醛等)，实现二氧化碳资源化。

本发明选用的离子液体的结构式为：

R₁、R₂：H、C₁-C₅的烃基

电化学反应的方法和装置：

将电化学反应装置的阴极室与阳极室之间用质子交换膜(全氟磺酸膜Nafion)隔开，阴极室中注入上述离子液体，紧贴在质子交换膜上的金属网作为阴极；阳极上有Pt/C催化剂，催化剂层由扩散层(碳纸或碳布)和催化层(Pt/C催化剂)两部分组成，双极板上分布有细小的沟槽，具有收集电流和保证H₂供应的作用。氢气在阳极上被氧化，生成氢离子，H⁺穿过质子交换膜到达阴极，电子通过外电路转移到阴极。二氧化碳和H⁺在阴极上发生电化学还原反应，生成甲醇和其他副反应产物。电化学反应装置的结构可表示为：

H₂(g)，Pt|Nafion|金属阴极，CO₂，CH₃OH

电极反应方程式为：

阳极：3H₂→6H⁺+6e

阴极：CO₂+6H⁺+6e→CH₃OH+H₂O

本发明与现有技术相比所具有的优点或积极效果：

1、上述离子液体具有很高的电导率和离子迁移率，适合作为电化学反应的介质体系，同时上述离子液体具有挥发性低和毒性小的优点。

2、H⁺的竞争反应被抑制，而且由于二氧化碳在上述离子液体中的溶解度很高，二氧化碳的电还原反应效率也较高。

本发明的电化学方法，利用CO₂生成甲醇等有机化合物(副产物为甲酸、甲醛等)，实现了CO₂的资源化。

附图说明

图1是本发明的二氧化碳电化学反应装置示意图。

图中，1-离子液体，2-金属网阴极，3-质子交换膜，4-催化层，5-扩散层，6-双极板。

具体实施方式

如图1所示，将电化学反应装置的阴极室与阳极室之间用质子交换膜(全氟磺酸膜Nafion)隔开，阴极室中注入上述离子液体，其结构式为：

R₁、R₂：H、C₁-C₅的烃基

阴极室中通入二氧化碳，紧贴在质子交换膜上的金属网作为阴极；阳极上有Pt/C催化剂，催化剂层由扩散层(碳纸或碳布)和催化层(Pt/C催化剂)两部分组成，扩散层的作用是支撑催化层，为电化学反应提供气体通道，阳极双极板(材料为碳、不锈钢或钛)上分布有细小的沟槽。

在电化学反应装置的阳极室中通入氢气，氢气被氧化生成H⁺，H⁺穿过质子交换膜到达阴极，二氧化碳和H⁺在阴极上发生电化学还原反应，生成甲醇等有机化合物，生成的混合物经精馏，得到甲醇、水和其他副反应产物。