DE102015213947A1 - Reduction process for electrochemical carbon dioxide recovery and electrolysis system with anion exchange membrane - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein Reduktionsverfahren und ein Elektrolysesystem (EA), z. B. ein Elektrolyseur, mit einer Anode (A), einer Kathode (K) und einer Membran (M) zur Trennung von Anolyt- und Katholytseite. Durch den Einsatz einer Anionentauschermembran (AEM) können komplementär ablaufende Stofftransportprozesse so erfolgen, dass Migrationen kompensiert werden können. Dadurch erhöht sich die mögliche Laufzeit des Systems.Described is a reduction process and an electrolysis system (EA), z. As an electrolyzer, with an anode (A), a cathode (K) and a membrane (M) for the separation of anolyte and catholyte side. By using an anion exchange membrane (AEM), complementary mass transport processes can be carried out in such a way that migrations can be compensated. This increases the possible running time of the system.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reduktionsverfahren und ein Elektrolysesystem zur elektrochemischen Kohlenstoffdioxid-Verwertung. Kohlenstoffdioxid wird in eine Elektrolysezelle eingeleitet und an einer Kathode reduziert.The present invention relates to a reduction method and an electrolysis system for electrochemical carbon dioxide utilization. Carbon dioxide is introduced into an electrolytic cell and reduced at a cathode.
Stand der TechnikState of the art
Aktuell wird ca. 80% des weltweiten Energiebedarfs durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen gedeckt, deren Verbrennungsprozesse eine weltweite Emission von etwa 34000 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre pro Jahr verursacht. Durch diese Freisetzung in die Atmosphäre wird der Großteil an Kohlenstoffdioxid entsorgt, was z. B. bei einem Braunkohlekraftwerk bis zu 50000 Tonnen pro Tag betragen kann. Kohlenstoffdioxid gehört zu den sogenannten Treibhausgasen, deren negative Auswirkungen auf die Atmosphäre und das Klima diskutiert werden. Da Kohlenstoffdioxid thermodynamisch sehr niedrig liegt, kann es nur schwierig zu wiederverwertbaren Produkten reduziert werden, was die tatsächliche Wiederverwertung von Kohlenstoffdioxid bisher in der Theorie beziehungsweise in der akademischen Welt belassen hat.Currently, about 80% of global energy needs are met by the burning of fossil fuels, whose combustion processes cause a worldwide emission of about 34,000 million tonnes of carbon dioxide into the atmosphere each year. This release into the atmosphere, the majority of carbon dioxide is disposed of what z. B. in a lignite power plant can be up to 50,000 tons per day. Carbon dioxide is one of the so-called greenhouse gases whose negative effects on the atmosphere and the climate are discussed. Since carbon dioxide is thermodynamically very low, it can be difficult to reduce to recyclable products, leaving the actual recycling of carbon dioxide in theory or academia.
Ein natürlicher Kohlenstoffdioxid-Abbau erfolgt beispielsweise durch Fotosynthese. Dabei werden in einem zeitlich und auf molekularer Ebene räumlich in viele Teilschritte aufgegliederten Prozess Kohlenstoffdioxid zu Kohlehydraten umgesetzt. Dieser Prozess ist so nicht einfach großtechnisch adaptierbar. Eine Kopie des natürlichen Fotosyntheseprozesses mit großtechnischer Fotokatalyse ist bisher nicht ausreichend effizient.Natural carbon dioxide degradation occurs, for example, through photosynthesis. In this process, carbon dioxide is converted into carbohydrates in a temporally and on a molecular level spatially divided into many steps. This process is not easily adaptable on an industrial scale. A copy of the natural photosynthesis process with large-scale photocatalysis is not yet sufficiently efficient.
Eine Alternative stellt die elektrochemische Reduktion des Kohlenstoffdioxids dar. Seit circa 20 Jahren werden systematische Untersuchungen der elektrochemischen Reduktion von Kohlenstoffdioxid angestrebt, sind also noch ein relativ junges Entwicklungsfeld. Erst seit wenigen Jahren gibt es Bemühungen, ein elektrochemisches System zu entwickeln, das eine akzeptable Kohlenstoffdioxidmenge reduzieren kann, entsprechend des steigenden wirtschaftlichen Interesses. Forschungen im Labormaßstab haben gezeigt, dass zur Elektrolyse von Kohlenstoffdioxid bevorzugt Metalle als Katalysatoren einzusetzen sind. Aus der Veröffentlichung
So würden beispielsweise an einer Silberkathode überwiegend Kohlenmonoxid und wenig Wasserstoff entstehen. Die Reaktionen an Anode und Kathode können mit folgenden Reaktionsgleichungen dargestellt werden:
Wie Tabelle 1 außerdem zu entnehmen ist, entstehen etwa an einer Kupferkathode, eine Vielzahl an Kohlenwasserstoffen als Reaktionsprodukte. Von besonderem wirtschaftlichem Interesse ist beispielsweise die elektrochemische Erzeugung von Kohlenstoffmonoxid, Methan oder Ethylen, Ethanol oder Monoethylenglykol. Dabei handelt es sich um energetisch höherwertige Produkte als Kohlenstoffdioxid.
Mit einem chloridhaltigen Elektrolyten kann folgende Reaktion an der Anode ablaufen:
Tabelle 1:Table 1:
In der Tabelle sind Faraday-Effizienzen [%] von Produkten angegeben, die bei der Kohlenstoffdioxid-Reduktion an verschiedenen Metallelektroden entstehen. Die angegebenen Werte gelten für eine 0,1 M Kaliumhydrogencarbonatlösung als Elektrolyten und Stromdichten unterhalb von 10 mA/cm2.The table shows Faraday efficiencies [%] of products produced by carbon dioxide reduction on various metal electrodes. The values given apply to a 0.1 M potassium bicarbonate solution as electrolyte and current densities below 10 mA / cm 2 .
Im Gegensatz zur Grundlagenforschung muss ein Elektrolyseverfahren, das industriell betrieben werden soll, den Anspruch erfüllen ökonomisch zu sein. Dazu wurde bislang das Augenmerk auf langzeitstabile Kathodenreaktionen gerichtet. Dieser Herausforderung begegnete man bisher z. B. damit, dass die Haltbarkeit des Katalysators und die der Kathode optimiert wurden.In contrast to basic research, an electrolysis process that is to be operated industrially must fulfill the requirement of being economical. So far, attention has been focused on long-term stable cathode reactions. This challenge was previously met z. Example, that the durability of the catalyst and the cathode have been optimized.
Nun gibt es jedoch verschiedene komplementär ablaufende Stofftransportprozesse in einer Elektrolysezelle, die über die Zeit zu einer unerwünschten lokalen Verarmung oder störenden lokalen Anreicherung einer Spezies führen. Dies kann einen negativen Einfluss auf die Produktselektivität, die Leitfähigkeit und damit verbunden den Stoffumsatz aber auch wiederum auf die Langlebigkeit von Katalysator- und/oder Anoden-Materialien haben, z. B. wenn der Stofftransport zu einer lokalen pH-Änderung führt.However, there are several complementary mass transport processes in an electrolysis cell that over time lead to undesirable local depletion or disruptive local enrichment of a species. This can have a negative effect on the product selectivity, the conductivity and, associated therewith, the material turnover but also in turn on the longevity of catalyst and / or anode materials, e.g. B. if the mass transfer leads to a local pH change.
Aus der Veröffentlichung:
Eingehendere Untersuchungen zu diesen Stofftransportvorgängen in einem Elektrolysesystem zur Kohlenstoffdioxidreduktion sind bisher nicht bekannt. Daher konnte bislang kein dauerhaft, kontinuierlicher Prozess etabliert werden.More detailed investigations of these mass transfer processes in an electrolysis system for carbon dioxide reduction are not yet known. Therefore, so far no permanent, continuous process could be established.
Folglich stellt es sich als technisch erforderlich dar, eine verbesserte Lösung für die elektrochemische Kohlenstoffdioxid-Verwertung vorzuschlagen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll die vorzuschlagende Lösung eine kontinuierliche Kohlenstoffdioxidumsetzung ermöglichen. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Reduktionsverfahren und Elektrolysesystem zur Kohlenstoffdioxid-Verwertung anzugeben.Consequently, it is technically necessary to propose an improved solution for the electrochemical carbon dioxide utilization, which avoids the disadvantages known from the prior art. In particular, the proposed solution should allow a continuous carbon dioxide conversion. It is an object of the invention to provide an improved reduction process and electrolysis system for carbon dioxide utilization.
Diese der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden durch ein Reduktionsverfahren gemäß dem Patentanspruch 1 sowie durch ein Elektrolysesystem gemäß dem Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. These objects underlying the present invention are achieved by a reduction method according to
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Bei dem erfindungsgemäßen Reduktionsverfahren zur Kohlenstoffdioxid-Verwertung wird ein Elektrolysesystem eingesetzt, in welchem ein Katholyt in einem Katholytkreislauf geführt wird, der Katholyt sowie Kohlenstoffdioxid werden in einen Kathodenraum eingebracht und in Kontakt mit einer Kathode gebracht, wo das Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid und/oder zumindest einer Kohlenwasserstoffverbindung reduziert wird. Dabei wird eine Anionentauschermembran zur Separation von Anodenraum und Kathodenraum eingesetzt. In dem Reduktionsverfahren wird bevorzugt eine ionische Flüssigkeit als Katholyt eingesetzt, es kann beispielsweise Butyl-Trimethylammonium bis Trifluoromethylsulfonimide ([N1114]TFSA) eingesetzt werden: In the reduction method according to the invention for the utilization of carbon dioxide, an electrolysis system is used, in which a catholyte is guided in a catholyte circuit, the catholyte and carbon dioxide are introduced into a cathode compartment and brought into contact with a cathode, where the carbon dioxide to carbon monoxide and / or at least one Hydrocarbon compound is reduced. In this case, an anion exchange membrane is used for the separation of anode space and cathode space. In the reduction process, an ionic liquid is preferably used as the catholyte, for example butyl-trimethylammonium to trifluoromethylsulfonimides ([N 1114 ] TFSA) can be used:
Alternative vorteilhafte ionische Flüssigkeiten zum Einsatz als Katholyten in dem Reduktionsverfahren basieren beispielsweise auf Kationen wie Imidazolium (k-1), Pyridinium (k-2), Pyrollidinium (k-3), Piperidinium (k-4), organisch substituierten Phosphonium (k-5), organisch substituierten Sulfonium (k-6), Morpholinium (k-7), Guanidinium (k-8), organisch substituierte Ammonium (k-9), insbesondere Butyltrimethylammonium oder Thiazolium (k-10), welche mit entsprechenden Anionen kombiniert sein können, z. B. mit Halogeniden (F–, Cl–, Br–, I–), Tetrafluoroborat (a-1), Hexafluorphosphat (a-2), Carboxylate (a-3), insbesondere Acetat (a-4) oder Trifluoracetat (a-5), Sulfat (a-6) oder organisch substituiertem Sulfat (a-7), Sulfonat (a-8), insbesondere Trifluormethansulfonat (a-9) (Triflat), Bis(trifluormethansulfon)imide (a-10), Carbonat (a-11) oder Hydrogencarbonat (a-12), Prolinat (a-13), Dicyanamide (a-14), Tricyanomethanide (a-15), Imidazolat (a-16, a-17), Pyrrazolat (a-18), Triazolate (a-19) oder Tetrazolate (a-20). Alternative advantageous ionic liquids for use as catholyte in the reduction process are based, for example, on cations such as imidazolium (k-1), pyridinium (k-2), pyrollidinium (k-3), piperidinium (k-4), organically substituted phosphonium (k). 5), organosubstituted sulfonium (k-6), morpholinium (k-7), guanidinium (k-8), organo-substituted ammonium (k-9), especially butyltrimethylammonium or thiazolium (k-10), which may be combined with appropriate anions, e.g. With halides (F - , Cl - , Br - , I - ), tetrafluoroborate (a-1), hexafluorophosphate (a-2), carboxylates (a-3), especially acetate (a-4) or trifluoroacetate (a -5), sulfate (a-6) or organosubstituted sulfate (a-7), sulfonate (a-8), especially trifluoromethanesulfonate (a-9) (triflate), bis (trifluoromethanesulfone) imide (a-10), carbonate (a-11) or hydrogencarbonate (a-12), prolinate (a-13), dicyanamide (a-14), tricyanomethanide (a-15), imidazolate (a-16, a-17), pyrrazolate (a-18 ), Triazolates (a-19) or tetrazolates (a-20).
Dabei steht der Buchstabe R sowie R1 bis R6 in den Strukturformeln, wie üblich für unterschiedliche Substituenten.The letter R and R 1 to R 6 in the structural formulas, as usual for different substituents.
Anolyte werden bevorzugt auf wässriger Basis ausgewählt. Dies kann z. B. Schwefelsäure (H2SO4) sein, aber auch viele andere Anolyte auf Basis einer wässrigen Leitsalzlösung, z. B. Alkalisalzen, Alkalihalogeniden, Sulfaten, Phosphaten können im Sinne des beschriebenen Reduktionsverfahrens eingesetzt werden.Anolytes are preferably selected on an aqueous basis. This can be z. As sulfuric acid (H 2 SO 4 ), but also many other anolyte based on an aqueous electrolyte solution, eg. As alkali salts, alkali halides, sulfates, phosphates can be used in the sense of the described reduction process.
Besonders bevorzugt ist auch der Einsatz eines Anolyten auf Basis eines Alkalihydrogencarbonats. Durch den Eintrag von Carbonatanionen durch die Membran hindurch und die gleichzeitige Verhinderung einer Alkalikationenmigration aus dem Anolyten heraus kann z. B. ein hoher pH-Wert im Reduktionsverlauf aufrechterhalten werden. Das Kohlenstoffdioxid verlässt zusammen mit dem am der Anode entstehenden Sauerstoffgas den Anolyten und puffert so das Anolytsystem ab, wodurch die Überspannung an der Anode sinkt. Dies funktioniert so lange, bis die Carbonate im Anolyten verbraucht ist. Bevorzugte Alkalikationen für den Einsatz im Anolyten sind beispielsweise Kalium- (K+) oder Natriumkationen (Na+). Für ein Beispiel eines Einsatzes eines Anolyten auf Basis eines Kaliumhydrogencarbonats (KHCO3) sähe die Reaktionsgleichung folgendermaßen aus:
Die Langlebigkeit eines Elektrolysesystems hängt also maßgeblich mit der pH-Wertstabilität in den Elektrolysekammern zusammen, welche von der Ionenmigration durch die Membran beeinflusst wird. Durch die gezielte Verwendung einer Anionentauschermembran in einer Elektrolysezelle zur Kohlenstoffdioxidverwertung wird der Einsatz von besonders geeigneten Anolyten neben dem Einsatz besonders geeigneter Katholyten ermöglicht, da deren Vermischung bzw. Austausch, eine gegenseitige Anreicherung oder eine Verwässerung durch die Anionentauschermembran, ausreichend vermieden wird. Beim Einsatz eines alkalihydrogencarbonat-basierten Anolyten, z. B. Kaliumhydrogencarbonat, kann die Leitfähigkeit in diesem Anolyten hochgehalten werden, da durch die Anionentauschermembran bevorzugt ein kontinuierlicher Eintrag zusätzlicher Carbonatanionen, die bei der Kohlenstoffdioxidreduktion entstehen, oder z. B. aus einer eingesetzten ionischen Flüssigkeit als Katholyt gewährleistet ist. Gleichzeitig wird die Alkalikationenmigration, im speziellen die Kaliumkationenmigration aus dem Anolyten heraus vermieden und ein geeignet hoher pH-Wert an der Anode aufrechterhalten, was die Überspannung an der Anode senkt und somit die Systemeffizienz erhöht. Auch eine unerwünschte Akkumulation von Kationen im Katholyten wird durch die Anionentauschermembran effektiv unterbunden. Darüber hinaus werden somit auch Salzablagerungen vermieden und dadurch ein effizientes langzeitstabiles System und Verfahren ermöglicht.The longevity of an electrolysis system is therefore significantly related to the pH stability in the electrolysis chambers, which is influenced by the ion migration through the membrane. The targeted use of an anion exchange membrane in an electrolytic cell for carbon dioxide utilization, the use of particularly suitable anolytes in addition to the use of particularly suitable catholyte allows because their mixing or exchange, mutual enrichment or dilution by the anion exchange membrane is sufficiently avoided. When using an alkali hydrogen carbonate-based anolyte, for. For example, potassium bicarbonate, the conductivity in this anolyte can be kept high, since by the anion exchange membrane preferably a continuous entry of additional carbonate anions that arise in the carbon dioxide reduction, or z. B. is ensured from a used ionic liquid as the catholyte. At the same time, alkali cation migration, in particular potassium cation migration out of the anolyte, is avoided and a suitably high pH is maintained at the anode, which lowers the overpotential at the anode and thus increases system efficiency. Also, an undesirable accumulation of cations in the catholyte is effectively prevented by the anion exchange membrane. In addition, thus salt deposits are avoided, thereby enabling an efficient long-term stable system and method.
Unter einem geeigneten Katholyten ist insbesondere eine ionische Flüssigkeit zu verstehen, welche durch ihren geringen bis nicht vorhandenen Wassergehalt eine besonders hohe Selektivität für die Kohlenstoffdioxidreduktion gewährleistet, jedoch bisher sehr empfindlich auf einen Wassereintrag durch die Membran reagiert hat. Durch den Einsatz der Anionentauschermembran im Elektrolysesystem wird also nicht nur der Kationentransport effektiv unterdrückt, sondern gleichzeitig der Transport von Anionen, z. B. Hydrogencarbonatanionen, gefördert, was zwei entgegengerichtete Ionenströme gewährleistet. Sollte in der Theorie nur der Anionenstrom erlaubt sein, handelt es sich in der Praxis jedoch um zwei entgegengerichtete Ionenströme, weil der Transportweg für Kationen, insbesondere für Protonen, nie vollständig blockiert werden kann. Dies bedeutet gleichzeitig, dass auch zwei entgegengerichtete Wassertransportwege durch die Membran geöffnet sind, was die Einstellung eines dynamischen Gleichgewichtszustandes ermöglicht. So ist die gewünschte Produktselektivität auf Kathodenseite kaum beeinflusst. A suitable catholyte is to be understood in particular to mean an ionic liquid which, due to its low to non-existent water content, ensures a particularly high selectivity for the reduction of carbon dioxide, but has hitherto reacted very sensitively to a water entry through the membrane. By using the anion exchange membrane in the electrolysis system not only the cation transport is effectively suppressed, but at the same time the transport of anions, eg. As hydrogencarbonate anions, promoted, which ensures two opposing ion currents. In theory, if only the anion current is allowed, in practice, however, it is two oppositely directed ion currents, because the transport path for cations, in particular for protons, can never be completely blocked. This means at the same time that two opposite water transport paths through the membrane are opened, which allows the setting of a dynamic equilibrium state. Thus, the desired product selectivity on the cathode side is hardly affected.
Das erfindungsgemäße Elektrolysesystem zur Kohlenstoffdioxidverwertung umfasst einen Elektrolyseur mit einer Anode in einem Anodenraum, eine Kathode in einem Kathodenraum, wobei der Kathodenraum zumindest einen Zugang für Kohlenstoffdioxid aufweist und ausgestaltet ist, das zugegangene Kohlenstoffdioxid in Kontakt mit der Kathode zu bringen, wo dieses zu Kohlenstoffmonoxid und/oder zumindest einer Kohlenwasserstoffverbindung reduziert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur eine Anionentauschermembran umfasst, welche zwischen Anodenraum und Kathodenraum angeordnet ist. Unter einer Anionentauschermembran ist eine Polymeraustauschmembran, zumeist auf Englisch als Polymer Exchange Membrane PEM bezeichnet, zu verstehen, welche funktionelle Gruppen aufweist, die die Anionentauschermembran grundsätzlich von der Kationentauschermembran in ihrer Transportselektivität von Ionen unterscheiden. Mittels der Anionentauschermembran können in dem System ungewollte Stofftransportvorgänge unterbunden bzw. kompensiert werden. Durch die Anionentauschermembran wird es ermöglicht, den notwendigen Ladungsausgleich innerhalb der Zelle nicht mehr allein durch Migration von Kationen bzw. Protonen zu bewerkstelligen, sondern es kann gezielt ein gegenläufiger Fluss von Anionen z. B. Hydroxidanionen oder Hydrogencarbonatanionen etabliert werden. Dies hat den Vorteil, dass sich das System nicht über die Zeit „verbraucht”.The electrolysis system for carbon dioxide utilization according to the invention comprises an electrolyzer with an anode in an anode compartment, a cathode in a cathode compartment, wherein the cathode compartment has at least one access for carbon dioxide and is designed to bring the incoming carbon dioxide in contact with the cathode, where this carbon monoxide and / or at least one hydrocarbon compound can be reduced, characterized in that the electrolyzer comprises an anion exchange membrane, which is arranged between anode space and cathode space. By an anion exchange membrane is meant a polymer exchange membrane, commonly referred to in English as Polymer Exchange Membrane PEM, which has functional groups that fundamentally differentiate the anion exchange membrane from the cation exchange membrane in its transport selectivity of ions. By means of the anion exchange membrane unwanted mass transfer processes can be prevented or compensated in the system. The anion exchange membrane makes it possible to accomplish the necessary charge balance within the cell no longer solely by migration of cations or protons, but it can be targeted an opposite flow of anions z. For example, hydroxide anions or bicarbonate anions can be established. This has the advantage that the system does not "waste" over time.
Die Entstehung von Kohlenstoffmonoxid und/oder zumindest einer Kohlenwasserstoffverbindung bei der Reduktion des Kohlenstoffdioxids hängt dabei vom Katholyten ab. Nur wenn Protonen im Katholyten enthalten sind, z. B. in einem wässrigen Katholyten, können eine oder mehrere Kohlenwasserstoffverbindungen entstehen. Bei einer reinen ionischen Flüssigkeit etwa kann eine vollständige Umsetzung des Kohlenstoffdioxids nur zu Kohlenstoffmonoxid erfolgen, während in einer wasserhaltigen ionischen Flüssigkeit auch Kohlenwasserstoffe gebildet werden können.The formation of carbon monoxide and / or at least one hydrocarbon compound in the reduction of the carbon dioxide depends on the catholyte. Only if protons are contained in the catholyte, z. As in an aqueous catholyte, one or more hydrocarbon compounds may arise. In the case of a pure ionic liquid, for example, complete conversion of the carbon dioxide can only take place to carbon monoxide, while hydrocarbons can also be formed in a water-containing ionic liquid.
In jedem Elektrolysesystem kommt es tatsächlich schon im Ruhezustand aber vermehrt im Betrieb zu Stofftransportvorgängen, d. h. zur Migration von Protonen, Ionen oder sogar Wassermolekülen im Fall, dass wässrige Systeme als Elektrolyte verwendet werden. Die vorwiegenden Stofftransportprozesse werden durch Osmose, Elektrophorese und Konzentrationsspannungen bewirkt.In fact, in every electrolysis system, it is already in idle state that mass transport processes occur more frequently during operation. H. for the migration of protons, ions or even water molecules in the case that aqueous systems are used as electrolytes. The predominant mass transport processes are effected by osmosis, electrophoresis and concentration tensions.
Unter Osmose ist ein gerichteter Fluss von Teilchen zu verstehen, der durch den osmotischen Druck hervorgerufen wird. Liegen zwei in flüssiger Phase befindliche Stoffe durch eine semipermeable Membran räumlich getrennt vor, entsteht ein osmotischer Druck immer dann, wenn das chemische Potential des Lösemittels in der einen Phase größer ist als in der anderen, also z. B. wenn ein reines Lösungsmittel durch eine semipermeable Membran von einer Lösung eines Stoffes in eben diesem Lösungsmittel vorliegt. Der osmotische Druck bewirkt dann eine Diffusion, die solange abläuft, bis sich die chemischen Potentiale angeglichen haben. Je nachdem, ob die semipermeable Membran für Lösemittel oder den gelösten Stoff oder beides durchlässig ist, findet eine Diffusion in die eine oder andere Richtung statt.By osmosis is meant a directed flow of particles caused by the osmotic pressure. If two substances located in the liquid phase are spatially separated by a semipermeable membrane, an osmotic pressure is produced whenever the chemical potential of the solvent in one phase is greater than in the other, ie, for example. B. when a pure solvent is present through a semipermeable membrane of a solution of a substance in just this solvent. The osmotic pressure then causes diffusion, which continues until the chemical potentials have become equal. Depending on whether the semipermeable membrane for solvent or the solute or both is permeable, diffusion takes place in one or the other direction.
Von Konzentrationsspannungen spricht man, wenn an einer Phasengrenze, wie beispielsweise an der Membran, ein Konzentrationsgefälle eines gelösten Stoffes auftritt. Ist eine Diffusion über diese Phasengrenze hinaus möglich, je nachdem, um welche Membran es sich beispielsweise handelt, bildet sich analog zum ersten Fick'schen Gesetz, siehe Gleichung 1:
Unter Elektrophorese ist die Migration von gelösten Ionen in einem elektrischen Feld zu verstehen. Dabei migrieren die Ionen immer solvatisiert, d. h. die Ionen sind von einer Solvathülle aus Lösungsmittelmolekülen umgeben. Das elektrische Feld E innerhalb einer Elektrolysezelle, das sich homogen zwischen der parallel angeordneten Kathode und Anode ausbildet, hängt von deren Abstand d und von der Klemmspannung U ab, siehe Gleichung 2:
Die Geschwindigkeit der solvatisierten Ionen und dementsprechend die Anzahl der migrierenden Ionen hängt vom angelegten Feld E sowie der elektrischen Abschwächung des Feldes durch Katholyt, Anolyt und Membran als Dielektrika ab.The velocity of the solvated ions and, accordingly, the number of migrating ions depend on the applied field E and the electrical attenuation of the field by catholyte, anolyte and membrane as dielectrics.
Für den Fall, dass als Katholyt eine ionische Flüssigkeit und als Anolyt ein wässriger Elektrolyt eingesetzt werden, bedeutet das, dass durch Diffusion, Osmose sowie durch die Elektrophorese, Wasser in den Katholyten migriert. Dies ist für den Betrieb einer Elektrolyseanlage unerwünscht und kann durch die vorgestellte Anionentauschermembran verhindert werden.In the event that an ionic liquid is used as the catholyte and an aqueous electrolyte is used as the anolyte, this means that water migrates into the catholyte by diffusion, osmosis and by electrophoresis. This is undesirable for the operation of an electrolysis system and can be prevented by the presented anion exchange membrane.
So können in dem erfindungsgemäßen Reduktionsverfahren zur Kohlenstoffdioxidverwertung, bei dem ein Katholyt in einen Katholytkreislauf geführt wird, dieser Katholyt sowie Kohlenstoffdioxid in einen Kathodenraum eingebracht und in Kontakt mit einer Kathode gebracht wird, wo das Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid und/oder zumindest einer Kohlenwasserstoffverbindung reduziert wird und bei dem im Elektrolyseur eine Anionentauschermembran zur Separation von Anodenraum und Kathodenraum eingesetzt wird, auch ionische Flüssigkeiten als Katholyt eingesetzt werden.Thus, in the reduction process of the invention for carbon dioxide utilization, in which a catholyte is fed into a catholyte, this catholyte and carbon dioxide is introduced into a cathode compartment and brought into contact with a cathode, where the carbon dioxide is reduced to carbon monoxide and / or at least one hydrocarbon compound, and in which an anion exchange membrane is used in the electrolyser for the separation of anode space and cathode space, and ionic liquids are used as catholyte.
Durch das beschriebene Elektrolysesystem mit einer Anionentauschermembran kann also ein Fluss von Anionen generiert werden, so dass die Migration von Kationen und Wasser in den Katholyten verlangsamt bzw. ausgeglichen wird. Daneben hat der Einsatz der Anionentauschermembran den Vorteil, dass keine Verwässerung oder Salzanreicherung in dem jeweiligen Elektrolyten im Anodenraum und Kathodenraum passiert. Vor allem die Verwässerung einer ionischen Flüssigkeit kann durch den Einsatz einer geeigneten Anionentauschermembran vermieden werden. Durch die Anionentauschermembran ist es also möglich, den notwendigen Ladungsausgleich innerhalb der Zelle nicht mehr allein durch die Migration von Kationen bzw. Protonen zu bewerkstelligen, sondern gezielt einen gegenläufigen Anionenfluss von Hydroxidionen und/oder Hydrogencarbonationen einzustellen. Für den Fall, dass als Katholyt eine ionische Flüssigkeit eingesetzt wird, bewirkt die Migration von solvatisierten Anionen sogar, dass Wasser aus der ionischen Flüssigkeit heraus migriert.The described electrolysis system with an anion exchange membrane can thus generate a flow of anions, so that the migration of cations and water into the catholyte is slowed down or compensated. In addition, the use of the anion exchange membrane has the advantage that no dilution or salt accumulation happens in the respective electrolyte in the anode compartment and cathode compartment. Above all, the dilution of an ionic liquid can be avoided by the use of a suitable anion exchange membrane. By means of the anion exchange membrane, it is thus no longer possible to accomplish the necessary charge balance within the cell solely by the migration of cations or protons, but rather to deliberately set an opposing anion flow of hydroxide ions and / or hydrogen carbonate ions. In the case where an ionic liquid is used as the catholyte, the migration of solvated anions even causes water to migrate out of the ionic liquid.
Besonders bevorzugt ist die Ausführungsform des Elektrolysesystems, in dem eine Anionentauschermembran eingesetzt wird, die ein Polyetherketon aufweist. Ein Polyetherketongerüst ist geeignet, eine Anionentauschermembran aufzurichten und zu stabilisieren. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform beschreibt eine Anionentauschermembran, die eine Funktionalisierung durch quartäre Ammoniumgruppen aufweist, z. B. quartäre Ammoniumsalze und/oder positiv geladene Amine. Dies können beispielsweise sein:
Dabei stehen R und X wie üblich für einen Substituenten, in diesem Fall z. B. Alkyl- oder Arylgruppen.Here, R and X are as usual for a substituent, in this case, for. B. alkyl or aryl groups.
Diese agieren in der Anionentauschermembran als funktionelle Gruppe für den Anionentransport durch die Membran hindurch. Diese Merkmale einer Anionentauschermembran sind besonders vorteilhaft für die gewünschte Transportselektivität der Membran: Eine Anionentauschermembran weist im Gegensatz zur Kationentauschermembran eben keine immobilisierte Anionen sondern immobilisierte Kationen auf. So können z. B. quartäre Ammoniumionen auf dem Polymergerüst der Membran immobilisiert sein. Um die Ladungsneutralität zu gewährleisten, umfasst die Membran zusätzlich mobile Anionen. Diese können aufgrund der attraktiven Wechselwirkung mit den immobilisierten Kationen durch die Membran migrieren.These act in the anion exchange membrane as a functional group for anion transport across the membrane. These features of an anion exchange membrane are particularly advantageous for the desired transport selectivity of the membrane: In contrast to the cation exchange membrane, an anion exchange membrane has no immobilized anions but immobilized cations. So z. For example, quaternary ammonium ions may be immobilized on the polymer backbone of the membrane. To ensure charge neutrality, the membrane also contains mobile anions. These can migrate through the membrane because of the attractive interaction with the immobilized cations.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Kathodenraum des Elektrolysesystems eine ionische Flüssigkeit auf. Eine ionische Flüssigkeit ist ein in der Regel bei Raumtemperatur, oder zumindest bei einer Temperatur unter 100°C, flüssiges Salz mit einer hohen Stabilität und einem regelbaren Wassergehalt. Meist handelt es sich um organische Salze, deren Ionen durch Ladungsdelokalisierung und sterische Effekte die Ausbildung eines (stabilen) Kristallgitters verhindern. Es geht also um ein in flüssiger Phase vorliegend dissoziiertes Salz, eine leitfähige Flüssigkeit, die nicht auf einem ungeladenen organischen oder anorganischen Lösemittel basiert. Durch Variation der Substituenten eines gegebenen Kations und durch Variation des Anions können die physikalisch-chemischen Eigenschaften einer ionischen Flüssigkeit variiert werden. So können z. B. der Schmelzpunkt und die Löslichkeit von Katalysatoren, Produkten oder Edukten in einer ionischen Flüssigkeit eingestellt werden. Hier eingesetzte ionische Flüssigkeiten haben in der Regel eine anpassbare Kohlenstoffdioxidlöslichkeit und Leitfähigkeit. Beim Einsatz ionischer Flüssigkeiten in einem Elektrolysesystem, insbesondere für die Kohlenstoffdioxidreduktion, kann das Kation der ionischen Flüssigkeit auch an der Grenzfläche Kathode Elektrolyt katholytisch oder cokatholytisch wirken. Z. B. kann durch den Einsatz einer ionischen Flüssigkeit die Überspannung für die Kohlenstoffdioxidreduktion gesenkt werden, gleichzeitig die Überspannung für die Reduktion von Wasser erhöht werden, was die Produktselektivität steigert und die Systemeffizienz erhöht. Löst also der Einsatz einer ionischen Flüssigkeit das Problem, dass bei wässrigen Elektrolyten die thermodynamisch günstigere Konkurrenzreaktion der Reduktion von Wasser zu Wasserstoff begünstigt abläuft, so stellt sich durch den Einsatz einer ionischen Flüssigkeit bisher das Problem der verminderten Langlebigkeit des Elektrolysesystems durch die Wassermigration aus dem Anodenraum in den Katholyten. So kommt es neben den bereits beschriebenen Vorgängen gerade hier sehr schnell zu einem Verbrauch des Systems, was keine langlebige kontinuierliche Kohlenstoffdioxidreduktion ermöglicht. Sobald die elektrophoretisch bedingte Diffusion von Wasser aus dem Anodenraum respektive dem Anolyten in den Katholyten beginnt, steigt nämlich auch die Wasserstoffentstehung an der Kathode als Konkurrenzreaktion z. B. zur Kohlenstoffmonoxidbildung.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the cathode compartment of the electrolysis system comprises an ionic liquid. An ionic liquid is a usually at room temperature, or at least at a temperature below 100 ° C, liquid salt with a high stability and an adjustable water content. Most of these are organic salts whose ions prevent the formation of a (stable) crystal lattice through charge delocalization and steric effects. It is therefore a liquid phase dissociated salt, a conductive liquid that is not based on an uncharged organic or inorganic solvent. By varying the substituents of a given cation and by varying the anion, the physico-chemical properties of an ionic liquid can be varied. So z. B. the melting point and the solubility of catalysts, products or educts can be adjusted in an ionic liquid. As used herein, ionic liquids typically have customizable carbon dioxide solubility and conductivity. When using ionic liquids in an electrolysis system, in particular for the reduction of carbon dioxide, the cation of the ionic liquid can also act catholytically or co-catalytically at the cathode electrolyte interface. For example, by using an ionic liquid, the overpotential for carbon dioxide reduction can be lowered while increasing the overpotential for water reduction, which increases product selectivity and increases system efficiency. Thus, the use of an ionic liquid solves the problem that in aqueous electrolytes the thermodynamically favorable competition reaction of reduction of water to hydrogen favors proceeds, so the problem of reduced longevity of the electrolysis system by the use of an ionic liquid so far from the anode space in the catholyte. As a result, in addition to the processes already described, consumption of the system very quickly occurs here, which does not permit any long-term continuous reduction of carbon dioxide emissions. As soon as the electrophoretically induced diffusion of water from the anode compartment or the anolyte into the catholyte begins, namely the hydrogen generation at the cathode increases as competing reaction z. For carbon monoxide formation.
Von besonderem Vorteil ist der Einsatz einer Anionentauschermembran der Firma fumatech GmbH in einer Elektrolysezelle zur Kohlenstoffdioxidreduktion, insbesondere die Anionentauschermembran fumasep FAB PK130. Diese weist eine Dicke von 130 μm, eine spezifische Leitfähigkeit für Chloridanionen von 1,8 mScm–1, eine Protonentransferrate von 363 μmolmin–1cm–2, eine Selektivität für 0,5 mol/kg Kaliumchlorid bei 25°C von 97,4, eine Zunahme an H2O von 11 wt% und eine pH-Stabilität im Bereich 1–14 auf. Diese hat den Vorteil, eine Migration räumlich großer ionischer Flüssigkeiten zu blocken, ebenso eine gute Protonenabschirmung zu gewährleisten, aber einen Ladungsausgleich durch einen elektrophoretisch bedingten Anionenfluss zu ermöglichen.Of particular advantage is the use of an anion exchange membrane from fumatech GmbH in an electrolysis cell for carbon dioxide reduction, in particular the anion exchange membrane fumasep FAB PK130. This has a thickness of 130 microns, a specific conductivity for chloride anions of 1.8 mScm -1 , a proton transfer rate of 363 .mu.molmin -1 cm -2 , a selectivity for 0.5 mol / kg of potassium chloride at 25 ° C of 97.4 , an increase in H 2 O of 11 wt% and a pH stability in the range 1-14. This has the advantage of blocking migration of spatially large ionic liquids, as well as ensuring good proton shielding, but allowing for charge equalization by an electrophoretically induced anion flux.
Beispiele und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden noch in exemplarischer Weise mit Bezug auf die
In den
Werden z. B. sehr gut lösliche Leitsalze z. B. Kaliumclorid KCl in einer Elektrolysezelle E eingesetzt, kann die Bildung entsprechender Hydrogencarbonate mit den Kationen M+ in diesem Fall, also die Bildung von Kaliumhydrogencarbonat KHCO3 sehr störend wirken. Die Löslichkeit des Kaliumhydrogencarbonats KHCO3 ist mit 337 g/l nur etwas niedriger als die von Kaliumclorid KCl mit 344 g/l. Daher kommt es bei Verwendung von Kaliumelektrolyten mit einer Konzentration über 2,4 mol zur Bildung von Kaliumhydrogencarbonatniederschlägen mit einem gewissen Anteil an mit auskristallisiertem Kaliumchlorid KCl.Are z. B. very good soluble salts z. B. potassium chloride KCl used in an electrolytic cell E, the formation of corresponding bicarbonates with the cations M + in this case, so the formation of potassium bicarbonate KHCO 3 very disturbing act. The solubility of potassium hydrogen carbonate KHCO 3 at 337 g / l is only slightly lower than that of potassium chloride KCl at 344 g / l. Therefore, when potassium electrolytes with a concentration above 2.4 moles are used, formation of potassium bicarbonate precipitates with some amount of crystallized potassium chloride KCl occurs.
Bei Verwendung von Carbonatanolyten kommt es zudem zu einer vollständigen Entionisierung des Anolyten. Im Fall von Carbonat CO3 2– kann nicht wie z. B. bei Sulfaten SO4 2– Schwefelsäure H2SO4 gebildet werden, sondern es entstehen Kohlenstoffdioxid CO2 und Wasser H2O. Die im Beispiel der
Da auf der Anodenseite dem System Elektronen e– entzogen und auf der Kathodenseite dem System zugeführt werden, käme es zu einer Aufladung des Elektrolyten, die durch einen Ladungsaustausch in Lösung aber abgebaut wird. Würden durch eine ausschließlich protonenleitende Membran M Protonen zur Neutralisierung auf die Kathodenseite gelangen, könnten die dort gebildeten Hydroxidanionen OH– folgendermaßen neutralisiert werden:
Tatsächlich sind Membranen M aber nicht ausschließlich für Protonen H+, sondern stets auch für andere Kationen M+ zumindest teildurchlässig oder durchlässig. Somit geschieht die störende Kationenwanderung in den Katolyten. Im Anodenraum AR können die abgewanderten Kationen M+ nicht nachproduziert werden und zum Ladungsausgleich wandern dann die gebildeten Protonen H+. In dem Beispiel des Kaliumsulfatanolyten wird dieser über die Zeit zu Kaliumhydrogensulfat KHSO4(aq) und letztendlich zu verdünnter Schwefelsäure H2SO4 umgewandelt. Der pH-Wert im Anodenraum AR fällt massiv ab, die Leitfähigkeit des Anolyten sinkt und es kommt zu einem hohen Spannungsabfall. Gleichzeitig kommt es an der Kathode K zu einer Anreicherung mit Kaliumhydroxid KOH, der pH-Wert steigt an, Kaliumhydrogencarbonat KHCO3 wird gebildet und fällt schließlich aus:
Nur bei sehr hohem pH-Wert wird Kaliumcarbonat K2CO3 gebildet, welches jedoch sehr viel besser löslich ist als Kaliumhydrogencarbonat KHCO3, in Wasser 1120 g/l.
Auf Katholytseite sind schließlich Kaliumsulfat K2SO4, möglicherweise auch geringe Mengen Kaliumcarbonat K2CO3 enthalten, während der Anolyt nahezu aus Schwefelsäure H2SO4 besteht. Die erhöhte Konzentration von Kaliumionen K+ im Katholyten senkt auch die Kohlenstoffdioxidlöslichkeit, was einen weiteren Beitrag zur Effizienzabnahme liefert. Darüber hinaus kann der Salzniederschlag des Hydrogencarbonats zu Verkrustungen an der Elektrode K führen. Im Beispiel der anfänglichen 0,5 molaren Kaliumsulfatlösung lässt sich aus deren maximaler Löslichkeit in Wasser von etwa 0,64 mol ein Löslichkeitsprodukt von ca 1.0 mol3/l3 abschätzen. Für die Anfangskonzentration der Sulfationen und der Kaliumionen von 0,5 mol sind noch keine Salzniederschläge oder Krusten zu erwarten. Verdoppelt sich allerdings aufgrund der Kationenmigration die Kaliumkonzentration im Katholyten, wird das Löslichkeitsprodukt überschritten und es kommt zur Ausbildung von Kaliumsulfatniederschlägen.On the catholyte side, finally, potassium sulfate K 2 SO 4 , possibly also small amounts of potassium carbonate K 2 CO 3 , while the anolyte consists almost of sulfuric acid H 2 SO 4 . The increased concentration of potassium ions K + in the catholyte also lowers the carbon dioxide solubility, which further contributes to the efficiency reduction. In addition, the salt precipitate of the bicarbonate can lead to encrustations on the electrode K. In the example of the initial 0.5 molar potassium sulfate solution, from its maximum solubility in water of about 0.64 mol, a solubility product of about 1.0 mol 3 / l 3 can be estimated. For the initial concentration of sulfate ions and potassium ions of 0.5 mol, no salt precipitation or crusts are expected. However, if the potassium concentration in the catholyte doubles due to cation migration, the solubility product is exceeded and potassium sulfate deposits are formed.
Bei der Verwendung differenzierter Elektrolyte ist auch die Beschreibung aller Stofftransportvorgänge im Gesamtsystem komplexer. Im Ruhezustand vor Betrieb kommt es durch Osmose und Diffusion von Ionen durch die Membran M zu einem Angleichen der Elektrolyten. Die aufgrund höherer Kohlenstoffdioxidlöslichkeit oft gewählte niedrigere Salzkonzentration im Katholyten erhöht sich. Dazu kann der Katholytpegel sinken. Im Betrieb werden die Alkali- bzw. Erdalkalimetallionen des Anolyten wieder durch Elektrophorese in den Katholyten wandern. Sie werden von Kationentauschermembranen KEMs nicht aufgehalten. Es kommt wieder nach einiger Zeit zu ausfallenden Salzen. Das oben beschriebene pH-Wert Gefälle sowie der Leitfähigkeitsverlust des Anolyten resultieren erneut. Ein Kohlenstoffdioxid-Elektrolysesystem kann so nicht langzeitstabil betrieben werden und ist für den industriellen Einsatz ungeeingnet.When using differentiated electrolytes, the description of all mass transport processes in the overall system is more complex. At rest, before operation, osmosis and diffusion of ions through the membrane M causes the electrolytes to equalize. The lower salt concentration in the catholyte, which is often chosen because of higher carbon dioxide solubility, increases. In addition, the catholyte level may drop. In operation, the alkali or alkaline earth metal ions of the anolyte will again migrate by electrophoresis into the catholyte. They are not stopped by cation exchange membranes KEMs. It comes again after some time to precipitating salts. The above-described pH gradient as well as the conductivity loss of the anolyte result again. A carbon dioxide electrolysis system can not be operated so long-term stable and is unattended for industrial use.
In der
Als Anolyt wird z. B. eine wässrige Salzlösung, Säure oder verdünnte Säure eingesetzt. In diesem Fall sind weitere Prozesse in Betracht zu ziehen: Bereits im Ruhezustand, also ohne angelegte Spannung U kommt es zu einer starken Migration von Stoffen in die ionische Flüssigkeit. Zum einen passiert die Diffusion von Wasser H2O in die meist hydrophilen ionischen Flüssigkeiten aufgrund des hohen Konzentrationsgefälles durch die Membran M. Die ionische Flüssigkeit wird so mit der Zeit verdünnt. Zum anderen diffundieren ebenfalls solvatisierte Alkali- oder Erdalkalimetallkationen M+ oder Protonen H+ in die ionische Flüssigkeit aufgrund der Konzentrationsgefälle. Damit werden also noch weitere H2O-Wassermoleküle in die ionische Flüssigkeit eingetragen. Im Betrieb kommen dann die bereits beschriebenen elektrophoretisch bedingten Migrationsprozesse noch hinzu. Der stetige Eintrag von Wasser H2O aufgrund solvatisierter Ionen, die durch Elektrophorese wandern, wirkt sich in diesem Fall noch schwerwiegender aus: Die ionische Flüssigkeit wird unaufhaltsam verdünnt und ihr zusätzlicher Nutzen als Co-Katalysator wird zerstört. Auch bei Verwendung organischer Lösemittel als Elektrolyte auf der Anodenseite ergeben sich prinzipiell diese Probleme.As anolyte z. As an aqueous salt solution, acid or dilute acid used. In this case, further processes should be taken into consideration: Already at rest, ie without an applied voltage U, there is a strong migration of substances into the ionic liquid. On the one hand, the diffusion of water H 2 O in the mostly hydrophilic ionic liquids happens due to the high concentration gradient through the membrane M. The ionic liquid is diluted over time. On the other hand, solvated alkali metal or alkaline earth metal cations M + or proton H + also diffuse into the ionic liquid due to the concentration gradient. Thus, even more H 2 O-water molecules are introduced into the ionic liquid. During operation, the electrophoretically induced migration processes described above are added. The steady entry of water H 2 O due to solvated ions migrating by electrophoresis is even more severe in this case: the ionic liquid is being inextricably diluted and its additional co-catalyst benefit is being destroyed. Even when using organic solvents as electrolytes on the anode side, these problems arise in principle.
Das Elektrolysesystem EA kann anstatt im Zwei-Kammer-Aufbau auch einen anderen gängigen Aufbau aufweisen, der wenigstens eine Anode A in einem Anodenraum AR sowie eine Kathode K in einem Kathodenraum KR umfasst. In jedem der Fälle sind Anodenraum AR und Kathodenraum KR wenigstens durch eine Membran AEM voneinander getrennt. Eine weitere definierende Größe für die Membran ist dabei der sogenannte Bubble-Point. Dieser beschreibt, ab welchem Druckunterschied ΔP zwischen den zwei Seiten der Membran AEM ein Gasfluss durch die Membran AEM stattfinden würde. Vorzugsweise wird also eine Membran AEM mit einem hohen Rubble-Point von 10 mbar oder größer eingesetzt. Anode A und Kathode K sind jeweils elektrisch mit einer Spannungsversorgung U verbunden. Der Anodenraum AR der Elektrolysezelle ist mit einem Elektrolyteinlass ausgestattet. Ebenso umfasst der Anodenraum AR einen Elektrolytauslass über den der Anolyt, sowie an der Anode A gebildete Elektrolyseprodukte, z. B. Sauerstoffgas O2 aus dem Anodenraum AR ausströmen können. Der Kathodenraum KR weist wenigstens einen Elektrolyt- und Produktauslass auf. Dabei kann das Gesamtelektrolyseprodukt aus einer Vielzahl von Elektrolyseprodukten zusammengesetzt sein. Während im Zweikammer-Aufbau Anode A und Kathode K durch Anodenraum AR und Kathodenraum KR von der Membran M1 getrennt angeordnet sind, liegen die Elektroden in einem sogenannten Polymerelektrolytmembran-Aufbau (PEM) mit porösen Elektroden direkt an der Membran M an. Dann handelt es sich um eine poröse Anode A und um eine poröse Kathode K. Im Zweikammer-Aufbau sowie im PEM-Aufbau wird der Elektrolyt und das Kohlenstoffdioxid CO2 bevorzugt über einen gemeinsamen Edukteinlass in den Kathodenraum KR eingebracht. Unterschiedlich dazu wird bei einem sogenannten Drei-Kammer-Aufbau, bei dem der Kathodenraum KR einen Elektrolyteinlass aufweist, separat davon das Kohlenstoffdioxid CO2 über die in diesem Fall zwingend porös ausgeführte Kathode K in den Kathodenraum KR eingeströmt. Bevorzugt ist die poröse Kathode K als Gasdiffusionselektrode, ausgestaltet. Eine Gasdiffusionselektrode ist dadurch charakterisiert, dass eine flüssige Komponente, z. B. ein Elektrolyt, sowie eine gasförmige Komponente, z. B. ein Elektrolyseedukt, in einem Porensystem der Elektrode, z. B. der Kathode K, in Kontakt miteinander gebracht werden können. Das Porensystem der Elektrode ist dabei so ausgeführt, dass die flüssige sowie die gasförmige Phase gleichermaßen in das Porensystem eindringen können und darin gleichzeitig vorliegen können. Typischerweise ist dazu ein Reaktionskatalysator porös ausgeführt und übernimmt die Elektrodenfunktion, oder eine poröse Elektrode weist katalytisch wirkende Komponenten auf. Zur Einbringung des Kohlenstoffdioxids CO2 in den Katholytkreislauf umfasst die Gasdiffusionselektrode GDE einen Kohlenstoffdioxideinlass. Die Erfindung könnte also beispielsweise in einem dieser beschriebenen Elektrolysezellaufbauten umgesetzt werden, wenn diese mit einer entsprechenden Anionentauschermembran AEM versehen sind. Diese Elektrolysezellen können für den Einsatz gemäß der Erfindung auch so modifiziert werden, dass sie zu gemischten Varianten kombiniert werden. Beispielsweise kann ein Anodenraum AR als Polymerelektrolytmembran-Halbzelle ausgeführt sein, während ein Kathodenraum KR aus einer Halbzelle besteht, deren Kathodenraum KR zwischen Membran AEM und Kathode K angeordnet ist und/oder eine Gasdiffusionselektrode als Kathode K aufweist.The electrolysis system EA may instead of the two-chamber structure also have a different common structure, which comprises at least one anode A in an anode space AR and a cathode K in a cathode space KR. In each case, the anode space AR and the cathode space KR are separated from each other at least by a membrane AEM. Another defining parameter for the membrane is the so-called bubble point. This describes from which pressure difference ΔP a gas flow through the membrane AEM would take place between the two sides of the membrane AEM. Preferably, therefore, a membrane AEM is used with a high rubble point of 10 mbar or greater. Anode A and cathode K are each electrically connected to a power supply U. The anode compartment AR of the electrolysis cell is equipped with an electrolyte inlet. Likewise, the anode compartment AR comprises an electrolyte outlet via the anolyte, and at the anode A formed electrolysis products, for. B. oxygen gas O 2 can flow out of the anode compartment AR. The cathode space KR has at least one electrolyte and product outlet. In this case, the total electrolysis product can be composed of a large number of electrolysis products. While in the two-chamber structure anode A and cathode K are separated by the anode space AR and cathode space KR of the membrane M 1 , the electrodes are in a so-called polymer electrolyte membrane structure (PEM) with porous electrodes directly to the membrane M. Then it is a porous anode A and a porous cathode K. In the two-chamber design and in the PEM structure of the electrolyte and the carbon dioxide CO 2 is preferably introduced via a common Edukteinlass in the cathode chamber KR. In contrast to this, in a so-called three-chamber design, in which the cathode space KR has an electrolyte inlet, the carbon dioxide CO 2 separately flows into the cathode space KR via the cathode K, which in this case is necessarily porous. Preferably, the porous cathode K is designed as a gas diffusion electrode. A gas diffusion electrode is characterized in that a liquid component, for. As an electrolyte, and a gaseous component, for. B. a Elektrolyseedukt, in a pore system of the electrode, for. B. the cathode K, can be brought into contact with each other. The pore system of the electrode is designed so that the liquid and the gaseous phase can equally penetrate into the pore system and can be present in it at the same time. Typically, a reaction catalyst is designed to be porous and takes over the electrode function, or a porous electrode has catalytically active components. To introduce the carbon dioxide CO 2 into the catholyte cycle, the gas diffusion electrode GDE comprises a carbon dioxide inlet. The invention could thus be implemented, for example, in one of these described electrolysis cell structures, if they are provided with a corresponding anion exchange membrane AEM. These electrolysis cells can also be modified for use in accordance with the invention so that they are combined into mixed variants. For example, an anode space AR can be embodied as a polymer electrolyte membrane half cell, while a cathode space KR consists of a half cell whose cathode space KR is arranged between membrane AEM and cathode K and / or has a gas diffusion electrode as cathode K.
Ionentauschermembranen können als Leitsalzlösungen betrachtet werden, bei denen eine Ionensorte auf einem Trägerpolymer immobilisiert wurde. Ist dieser immobilisierte Ladungsträger das Anion, spricht man von einer Kationentauschermembran (KEM), sind die Kationen stationär, spricht man von einer Anionentauschermembran (AEM).Ion exchange membranes can be considered as conducting salt solutions in which an ionic species has been immobilized on a carrier polymer. If this immobilized charge carrier is the anion, it is called a cation exchange membrane (KEM), and if the cations are stationary, this is called an anion exchange membrane (AEM).
Der Ladungstransport durch eine Ionentauschermembran kann generell durch drei Arten von Teilchen erfolgen: Anionen, Kationen und Protonen. Letztere sind formal Kationen, allerdings speziell zu betrachten. In der
Wie in der
Dahingegen wird die Migration von Anionen A– größtenteils blockiert. Ein Anion A– wird von den negativ geladenen Sulfonatgruppen S– abgestoßen. Zudem befinden sich im Ruhezustand keine mobilen Anionen A– in der Membran KEM. Ein Anion A– würde also unwahrscheinlicher in die Membran KEM eintreten, da dies die Ionenstärke in der Membran KEM erhöhen würde, was aber thermodynamisch ungünstig ist. Es benötigte andere Mechanismen, wie etwa Osmose, mittels derer Salze in die Membran KEM eindringen und schließlich durchwandern könnten.On the other hand, the migration of anions A - is largely blocked. An anion A - is repelled by the negatively charged sulfonate groups S - . In addition, there are no mobile anions A in the resting state - in the membrane KEM. An anion A - would thus unlikely to enter the membrane KEM, as this would increase the ionic strength in the membrane KEM, but this is thermodynamically unfavorable. It needed other mechanisms, such as osmosis, through which salts could penetrate into the membrane KEM and eventually migrate through it.
In der
In der Gesamtbilanz muss noch der Protononentransport H+ betrachtet werden, wie er schematisch in der
In den
In der
Die Faraday-Effizienz F, also der Anteil der Elektronen am Gesamtstrom, ist in Abhängigkeit von der an den Elektroden anliegenden Spannung U gegenüber einer Ag/AgCl-Referenzelektrode aufgetragen, für die Kohlenstoffmonoxid- CO sowie für die Wasserstoff-Entstehung H2 an der Kathode K. So wurde experimentell eine Spannung Uopt von –1,95 V vs. Ag/AgCl bestimmt, bei der das System die beste Selektivität und Faraday-Effizienz F für Kohlenstoffmonoxid CO hat. Diese Spannung Uopt wurde für die in den
Aufgrund der stark unterschiedlichen chemischen Natur von Katholyt und Anolyt in der hier näher erläuterten beispielhaften Messung, liegen bereits im Ruhezustand der Elektrolysezelle sehr hohe Konzentrationsgradienten für alle beteiligten Stoffe vor. Da die hier verwendete ionische Flüssigkeit [N1114]TFSA „räumlich groß” ist, wird sie nicht durch die Membran AEM migrieren können. Somit ist davon auszugehen, dass Protonen H+, Wassermoleküle H2O und Sulfatanionen SO4 2– zum Konzentrationsausgleich in den Katholyten wandern. Bei angelegter Zellspannung Uopt sorgt dann zusätzlich der Ladungsausgleich durch Elektrophorese für die Migration der benannten Spezies.Due to the very different chemical nature of catholyte and anolyte in the exemplary measurement explained in more detail here, very high concentration gradients are already present in the quiescent state of the electrolytic cell for all substances involved. Since the ionic liquid [N1114] TFSA used here is "spatially large", it will not be able to migrate through the membrane AEM. Thus, it can be assumed that protons migrate H + , water molecules H 2 O and sulfate anions SO 4 2- for concentration compensation in the catholyte. With applied cell voltage U opt then additionally the charge equalization by electrophoresis ensures the migration of the named species.
Die in diesem Beispiel vorteilhaft eingesetzte Anionentauschermembran AEM fumasep FAB-PK-130 von der Firma fumatech GmbH hat gute Protonenblocker-Eigenschaften und besitzt eine hohe Selektivität für Anionen A–. Diese Eigenschaften lassen sich besonders gut experimentell demonstrieren:
Dazu wurde mittels Gaschromatographie-Analyse der gasförmigen Elektrolyseprodukte Kohlenstoffmonoxid CO und Wasserstoff H2 zwei Chronoamperometrien über 3 Stunden aufgenommen. Die Spannung Uopt von –1,95 V wurde, wie oben beschrieben, in einer Spannungsreihe bestimmt. Zwei ansonsten identische Kohlenstoffdioxid-Elektrolysesysteme wurden einmal mit einer Nafion-N117-Membran KEM, in den Figuren mit a gekennzeichnet, und einmal mit einer fumasep FAB-PK-130-Membran AEM, in den Figuren mit b gekennzeichnet, betrieben. Mit der Anionentauschermembran AEM kann die Faraday-Effizienz F(H2) für Wasserstoff H2 konstant bei null gehalten werden, während die Faraday-Effizienz F(CO) für Kohlenstoffmonoxid CO konstant hoch bleibt. Insbesondere gewährleistet die eingesetzte Anionentauschermembran AEM eine nahezu konstante Faraday-Effizienz F(CO) für Kohlenstoffmonoxid von über 80%.The anion exchange membrane AEM fumasep FAB-PK-130 from fumatech GmbH, which is advantageously used in this example, has good proton-blocking properties and has a high selectivity for anions A - . These properties can be demonstrated particularly well experimentally:
For this purpose, two chronoamperometries were recorded over 3 hours by means of gas chromatography analysis of the gaseous electrolysis products carbon monoxide CO and hydrogen H 2 . The voltage U opt of -1.95 V was determined in a series of voltages as described above. Two otherwise identical carbon dioxide electrolysis systems were operated once with a Nafion N117 membrane KEM, identified in the figures with a, and once with a fumasep FAB-PK-130 membrane AEM, marked b in the figures. With the anion exchange membrane AEM, the Faraday efficiency F (H 2 ) for hydrogen H 2 can be kept constant at zero, while the Faraday efficiency F (CO) for carbon monoxide CO remains constantly high. In particular, the anion exchange membrane AEM used ensures a nearly constant Faraday efficiency F (CO) for carbon monoxide of more than 80%.
Bei Einsatz einer Kationentauschermembran KEM steigt die Faraday-Effizienz F(H2) für die Produktion von Wasserstoff H2 mit der Zeit deutlich an und die Faraday-Effizienz F(CO) für Kohlenstoffmonoxid CO sinkt mit der Zeit.When using a cation exchange membrane KEM, the Faraday efficiency F (H 2 ) for the production of hydrogen H 2 increases significantly over time and the Faraday efficiency F (CO) for carbon monoxide CO decreases over time.
Nach einer Betriebszeit der Elektrolysezelle mit Kationentauschermembran KEM von 3 Stunden wurden im Katholyten 17 mol% Wassergehalt gemessen, in der Elektrolysezelle mit Anionentauschermembran AEM nur 6 mol% Wasser. Somit ist an diesem vorgestellten Beispiel gezeigt, dass die stetige Verdünnung des Katholyten stark verlangsamt wurde. Dieses Ergebnis wird so interpretiert, dass unter Umständen sich ein dynamisches Wassergleichgewicht eingestellt hat. Die gewünschten Gasselektivitäten blieben erhalten. Für die gezeigten Messergebnisse wurde ein Elektrolyseur mit sehr geringen Elektrolytvolumina verwendet, wodurch dieses System erheblich empfindlicher auf stoffliche Änderungen reagiert als in der Literatur beschriebene Systeme mit großen Reservoiren, die wesentlich langsamer auf eine Menge eines migrierten Stoffes reagieren.After an operating time of the electrolysis cell with cation exchange membrane KEM of 3 hours, 17 mol% water content was measured in the catholyte, in the electrolytic cell with anion exchange membrane AEM only 6 mol% water. Thus, it is shown in this example presented that the steady dilution of the catholyte has been greatly slowed down. This result is interpreted to mean that a dynamic water equilibrium may have set in. The desired gas selectivities were retained. For the measurement results shown, an electrolyzer with very low electrolyte volumes was used, making this system much more sensitive to material changes than large reservoir systems described in the literature, which react much more slowly to an amount of migrated matter.
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes von Y. Hori, veröffentlicht in: C. Vayenas, et al. (Eds.), Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, New York, 2008, pp. 89–189 [0004] Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes by Y. Hori, published in: C. Vayenas, et al. (Eds.), Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, New York, 2008, pp. 89-189 [0004]
- J. Shi, A novel electrolysis cell for CO2 reduction in ionic liquid/organic solvent electrolyte, 2014 [0011] J. Shi, A novel electrolysis cell for CO2 reduction in ionic liquid / organic solvent electrolyte, 2014 [0011]
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