CN102912374A

CN102912374A - 一种以双极膜为隔膜的电化学还原co2电解池及其应用

Info

Publication number: CN102912374A
Application number: CN2012104087607A
Authority: CN
Inventors: 宋玉江; 李焕巧
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-10-24
Also published as: CN102912374B

Abstract

本发明涉及一种以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池及其应用，该电解池包括阴极电解室、阴极电解液、阳极电解室、阳极电解液和分隔阴、阳极电解室的双极膜。阴极电解室的电极材料为Pb、In、Cu等，阴极电解液为碱性水溶液；阳极电解室的电极材料为Pt、Pd等，阳极电解液为碘盐的酸性水溶液。阴极电解室中的氢氧根和阳极电解室中的质子扩散至双极膜内生成水，形成一个电压降，降低电解槽的工作电压。与水电氧化生成氧气的阳极反应相比，碘离子氧化生成碘单质的电位低、过电位小、动力学过程快，可进一步降低电解槽的工作电压。二氧化碳在阴极室被电还原，生成甲酸盐、甲醇、甲烷等小分子燃料；碘离子在阳极室被电氧化生成单质碘。

Description

一种以双极膜为隔膜的电化学还原CO2电解池及其应用

技术领域

本发明属于储能、二氧化碳资源化利用和替代能源技术领域，具体涉及一种以双极膜为隔膜的电解池及在电化学还原CO₂中的应用。

背景技术

二氧化碳在地球的碳循环过程中起着重要的作用。随着科学技术的迅猛发展，特别是工业革命以后，人类广泛使用化石燃料，向大气中大量排放二氧化碳，破坏了地球的碳循环过程，使得大气中二氧化碳的含量不断增加，引起“温室效应”，导致全球变暖和极端气候出现的频率增加。因此，有效控制大气中二氧化碳的浓度、保护人类生存环境受到越来越多的关注。

如何有效捕捉、储存、转化和利用二氧化碳，建立新一代的能源体系已引起关注[CN 201010134919.1，CN 201010266161.7]。减少化石燃料的使用量、并将二氧化碳转化为其它小分子燃料如甲酸、甲醇、甲烷、CO等，是目前实现二氧化碳减排的重要技术途径。

二氧化碳的分子结构稳定，化学性质不活泼，常规条件下难以发生还原反应。目前还原二氧化碳将其转化为燃料的方法有很多种：如高温高压加氢的方法，即先将二氧化碳与氢气按比例混合，转化为一氧化碳，然后再继续与氢气混合加压、加热、催化生成甲醇(CN 1157281)；如在常压、高空速的条件下催化加氢获得甲烷(CN 1107078)；如在临界条件下利用紫外激光分解二氧化碳(US 7807025)。但上述方法都存在一些缺陷和不足。如化学合成法步骤繁琐，条件苛刻，能耗大。催化法工艺复杂，催化剂昂贵，且易中毒失活。紫外激光分解二氧化碳的过程中，临界条件较难控制，且常需高达7-10MPa的操作压力。

同其它二氧化碳转化技术相比，电化学转化二氧化碳技术具有操作工艺简单、洁净、环境污染小、副产物少等优点。电化学方法电解还原二氧化碳，常温、常压下即可进行。电解还原法通常不需要大规模的设备，且可以有效利用夜间电力和新能源发电技术产生的间隙性电能，被认为是最有效的还原转化二氧化碳的方法之一。

传统的电化学还原转化二氧化碳的电解池通常是无隔膜的、或是装配有阳离子交换膜如Nafion等。阴、阳极电解液多为碱性的碳酸盐或碳酸氢盐的水溶液。阴极电解室和阳极电解室之间采用离子交换膜进行隔离是为了产物的收集及避免阴极部分还原产物对阳极电极材料的毒化。在外接电源的作用下，CO₂在Pb、Cu或Ag等阴极上得到电子发生电化学还原反应，转化为甲酸、甲醇、甲烷或CO等小分子燃料，如下式所示：

CO₂+H₂O+2e^-→CO+2OH^- （1）

CO₂+H₂O+2e^-→HCOO^-+OH^- （2）

CO₂+5H₂O+6e^-→CH₃OH+6OH^- （3）

CO₂+6H₂O+8e^-→CH₄+8OH^- （4）

阳极反应是氧气的析出反应，即在Pt、Ru或Ir的氧化物等电催化剂的作用下，水失去电子发生氧化反应生成氧气，具体反应如下：

4OH^-→O₂+2H₂O+4e^- （5）

电化学还原转化CO₂为小分子燃料的过程中，阴极CO₂发生电化学还原须经历形成中间态·CO₂ ^-，然后再由·CO₂ ^-进一步发生电化学还原反应，得到目标产物如甲烷、甲醇、CO、甲酸或甲酸根等。其中由CO₂形成中间态·CO₂ ^-的过电位较高，高达-1.7~-2.0V（相对于标准氢电极），是CO₂发生电还原转化反应的决速步。水在阳极上发生电化学氧化反应析出氧气同样也是一个缓慢的动力学过程，反应过电位高达1.0～1.5V。电化学还原转化CO₂过程中，阴、阳两极电极反应过高的过电位是造成电化学还原CO₂电解电压过高（3~6V）、电能消耗大的主要原因。开发高效的阴、阳极电催化材料、选择合适的电解液及设计新型的电解池，是有效降低电化学还原CO₂电解电压、提高能量转化效率的有效手段。钱谷勇磁等人指出，采用碳化硼为阴极电极催化材料，可有效降低电化学还原转化CO₂为HCOOH、CH₄、C₂H₄和C₂H₆等物质的工作电压。Masel等在阴极电解液中添加一种离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑-四氟硼酸盐）与·CO₂ ^-形成络合物，降低了反应能垒，降低Ag阴极催化剂上CO₂的发生电化学还原反应的过电位[Science,2011,334,643]，从而降低了CO₂电化学还原的电解电压及电能消耗。施锦等对CO₂在离子液体中的电化学还原方法申请了专利保护（200810058225.7，200810058543.3，201110078394.9）。但由于离子液体的粘度大、传质慢，转化效率较低，并且价格昂贵，难以实现规模化应用。为提高二氧化碳的电解效率及降低电解过程中的电能消耗，西安交通大学通过采用以Nafion膜为隔膜的电解池，利用空气扩散电极进行电化学还原高压二氧化碳（201010266161.7），但电解电压仍然高达6.23-6.95V，电能消耗过大。

双极膜亦称双极性膜，是一种特殊的离子交换膜，它通常是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成，能有效分隔酸性电解质和碱性电解质。利用双极膜可以在低工作电压下电解解离水分子，或利用酸、碱中和的自发反应产生电能，已经应用在清洁生产、食品和医药工业、海水脱硬和制碱以及双极膜蓄电池等工业过程中（J.Membrane Science,2005,263,1）。

本发明提出将以双极膜为隔膜的电解池应用于电化学还原CO₂过程中。双极膜分隔碱性的阴极电解室和酸性的阳极电解室，一方面由于阴极碱性电解液中的氢氧根和阳极的酸性电解液中的质子在双极膜的过渡层发生中和反应，生成水，产生一个电压降，从而降低电化学还原CO₂电解池的电解电压；另一方面，由于采用酸性的阳极电解液，可以取代过电位大、动力学过程慢的析氧反应，如引入过电位小、动力学过程快的碘离子的氧化反应，从而降低电化学还原CO₂过程电解电压，而且阳极碘离子发生氧化生成的单质碘也是一种重要的化工原料，利用本专利描述的电解法在阴、阳两极同时获得电解产品，能有效提高电解过程的能量转化效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述二氧化碳电化学还原转化为小分子燃料的技术中存在的电解电压过高、能耗损失大的问题，提出一种以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池及其应用，通过采用双极膜分隔阴极电解室和阳极电解室，使得阴、阳两极的电化学反应分别在碱性、酸性环境中进行。这样，一方面可以通过引入过电位小、动力学过程快的碘离子的氧化反应取代过电位大、动力学过程慢的析氧反应，降低阳极反应过电位，降低电解电压；另一方面，由于阴极碱性电解液中的氢氧根和阳极的酸性电解液中的质子在双极膜反应生成水，产生电压降，从而降低电化学还原CO₂的电解电压。

本发明提供了一种以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，该电解池的结构如图1所示，包括阴极电解室、阴极电解液、阳极电解室、阳极电解液和分隔阴、阳极电解室的双极膜，且双极膜中的阴离子交换膜层置于阴极电解室中，双极膜的阳离子交换膜层置于阳极电解室中；

所述的阴极电解室的电极为Pb、In、Cu、Sn、Ag、Hg、Fe、Co、Ni、Zn、Cd、Pt、Au、Pd、Ru、Ir、Rh、Re、Os、Ga、Ge、Cr、Sb、Bi、C中一种或两种以上的合金或其混合物；

所述的阴极电解液为氢氧化物水溶液、碳酸盐水溶液、碳酸氢盐水溶液中一种或两种以上的混合物；

所述的阳极电解室的电极为Pt、Au、Pd、Ru、Ir、Rh、Re、Os、Cu、Ag、Fe、Co、Ni、Zn、C中一种或两种以上的合金或其混合物；

所述的阳极电解液为含有碘盐和酸的水溶液；

本发明提供的以双极膜为隔膜的电解池，所述的阴极电解液中的氢氧化物水溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂中一种或两种以上的混合物；其中氢氧化物水溶液的浓度为0.5-5mol/L。所述的阴极电解液中的碳酸盐水溶液为碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂中一种或两种以上的混合物；其中碳酸盐水溶液的浓度为0.1-3mol/L。所述的阴极电解液中的碳酸氢盐水溶液为碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢锂中一种或两种以上的混合物，其中碳酸氢盐水溶液的浓度为0.1-3mol/L。

本发明提供的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，所述的阳极电解液中的碘盐为碘化锂、碘化钠、碘化钾中一种或两种以上的混合物，其中碘离子的浓度为0.5-5mol/L。所述的阳极电解液中的酸为硫酸、磷酸、高氯酸、高溴酸、高碘酸、氢溴酸、氢碘酸、盐酸、硝酸、苯磺酸中的一种或两种以上混合物，其中氢离子浓度为0.5-5mol/L。

本发明提供的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，所述的分隔阴、阳极电解室的双极膜的结构如图2和图3所示，该双极膜由阴离子交换膜、阳离子交换膜复合而成或由阴离子交换膜、阳离子交换膜及置于阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的过渡层复合而成；

（1）双极膜的阴离子交换膜层朝向阴极电解室，所述双极膜的阳离子交换膜层朝向阳极电解室；

（2）双极膜的阴离子交换膜由带有固定基团的高分子骨架构成；

（3）双极膜的阳离子交换膜由带有固定基团的高分子骨架构成。

本发明提供的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，所述双极膜的阴离子交换膜层中的固定基团为伯氨基、仲氨基、叔氨基、季氨基、芳氨基中的一种或两种以上的混合物；所述双极膜的阴离子交换膜层中的高分子骨架为苯乙烯和二乙烯苯的共聚物、聚砜、聚偏二氟乙烯、聚乙烯苄基氯、阴离子交换树脂、聚醚砜、二乙烯基苯和二甲氨基-丙基-异丁烯酰胺的共聚物、甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯的共聚物中的一种或两种以上的共混物。

本发明提供的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，所述双极膜的阳离子交换膜层中的固定基团为磺酸基（-SO₃H）或磷酸基（-PO₃H₂）中的一种或两种的混合；所述双极膜的阳离子交换膜层中的高分子骨架为苯乙烯和二乙烯苯的共聚物、丁二烯和苯乙烯的共聚物、聚苯醚、聚苯乙烯、聚醚砜、聚砜、聚醚醚酮中的一种或两种以上的共混物。

本发明还提供了以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池在电化学还原CO₂中的应用，（1）向阴极电解室通入二氧化碳；（2）接通电解电源，采用恒电流或恒电压模式进行电解，其中电流密度为10-1000A/m²，电压为0.9-6V；（3）电解过程中发生的化学反应为：阴极电解液中的氢氧根和阳极电解液中的质子在双极膜中发生中和反应生成水，二氧化碳在阴极电解室被还原为甲酸、甲酸盐、甲醇、甲烷、一氧化碳、乙烯、乙炔、乙烷中的一种或两种以上的混合物；碘离子在阳极电解室被氧化为单质碘。

本发明涉及到的主要化学及电化学反应有：

阳极反应：2I^-→I₂+2e- E=0.535V

阴极反应：CO₂+H₂O+2e-→HCOO^-+OH^- E=-1.02V（pH=14）

CO₂+H₂O+2e^-→CO+2OH^- E=-0.94V（pH=14）

CO₂+5H₂O+6e^-→CH₃OH+6OH^- E=-0.62V(pH=7)

CO₂+H₂O+8e^-→CH₄+8OH^- E=-0.48V(pH=7)

双极膜中的反应：

H⁺+OH^-→H₂O E=-0.828V

本技术与现有技术相比，具有如下有益效果：

（1）本发明通过采用双极膜分隔阴极室和阳极室，从而实现电化学还原阴、阳电极分别在碱性、酸性环境中进行，由于阴极的氢氧根和阳极的质子在双极膜内生成水，产生一个电压降，从而降低电解电压；

（2）酸性电解质中，通过引入反应过电位小、动力学过程快的碘离子氧化反应取代过电位高的、动力学过程慢的析氧反应，降低阳极反应过电位，进一步降低电解电压。

附图说明

图1是本发明中以双极膜为隔膜的CO₂电化学还原电解池的结构示意图，其中：1-电解电源，2、3-CO₂导气口，4-阴极电解液，5-阴极，6-双极膜，7-阳极电解液，8-阳极；

图2是本发明中一种双极膜的结构示意图，其中：1-阳离子交换膜，2-阴离子交换膜，3-过渡层；

图3是本发明中另一种双极膜的结构示意图，其中：1-阳离子交换膜，2-阴离子交换膜；

图4是本发明中含有不同浓度的甲酸根标准溶液的离子色谱图，其中甲酸根在标样中的浓度分别为5ppm、10ppm、20ppm、50ppm、80ppm和100ppm；

图5是本发明中利用离子色谱技术获得的甲酸根标准工作曲线；

图6是本发明实施实例1中，电解电流为25A/m²时，电解电压随电解时间的变化曲线；

图7是本发明实施实例1中，电解电压随电解电流的变化曲线；

图8是本发明实施实例2中，电解电压随电解时间的变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明予以进一步说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1：

如图1所示，室温条件下，采用双极膜将电解池分隔为阴极室和阳极室，其中阴极电解液为含有0.2摩尔/升碳酸氢钾和0.5摩尔/升氢氧化钾的混合水溶液，阳极电解液中碘化钾的浓度为1摩尔/升，硫酸的浓度为0.5摩尔/升；分别采用铅片为阴极、铂片为阳极，其中铅片与铂片的尺寸均为：1厘米（长）×1厘米（宽）。通过导气口向阳极电解室通30分钟的CO₂气体，控制二氧化碳气体的流速为150毫升/分钟。接通电解电源，控制恒电流电解的电流密度分别为25A/m²、125A/m²、200A/m²、250A/m²，电解2小时，二氧化碳在阴极Pb片上得到电子发生电化学还原反应，而碘离子在阳极Pt电极上发生氧化反应，生成碘单质，阳极电解液中质子和阴极电解液中的氢氧根分别由阳极室和阴极室扩散至双极膜中结合形成水。

表1实施例1中不同电流密度下电化学还原CO₂生成甲酸根的电解电压、电流效率及能量转化效率

利用电化学工作站监测并记录2小时电解过程中电解电压随时间的变化。当电解电流为25A/m²时，利用以双极膜为隔膜的电解池电化学还原CO₂的电解电压维持在1.7V左右，比以Nafion阳离子交换膜为隔膜的电解池的电解电压降低了0.9V左右，结果如图6所示。图7比较了在不同电解电流密度下，分别以双极膜和Nafion阳离子交换膜为隔膜的电解池电化学还原CO₂的电解电压，结果发现以双极膜为隔膜的电解池的电解电压明显较以Nafion为隔膜的电解池的电解电压低。电解结束后，分别收集阴极电解液，利用离子色谱分析所生成的甲酸根含量，并计算电解过程中生成甲酸的电流效率及能量转换效率。结果列于表1中。阳极反应的生成的碘可通过萃取方法与阳极电解液分离，作为化工原料备用。

实施例2：

室温条件下，采用双极膜将电解池分隔为阴极室和阳极室，其中阴极电解液为包含有0.2摩尔/升碳酸氢钾和0.5摩尔/升氢氧化钾的混合溶液，阳极电解液中碘化钾的浓度为1摩尔/升，硫酸的浓度为0.5摩尔/升；分别采用铜片为阴极、铂片为阳极，其中铜片与铂片的尺寸均为：1厘米（长）×1厘米（宽）。通过导气口向阳极电解室通30分钟的CO₂气体，控制二氧化碳气体的流速为150毫升/分钟。接通电解电源，控制恒电流电解的电流密度为25A/m²，电解1小时，二氧化碳在阴极Cu片上得到电子发生电化学还原反应，而碘离子在阳极Pt电极上发生氧化反应，生成碘单质，阳极电解液中质子和阴极电解液中的氢氧根分别由阳极室和阴极室传递至双极膜中反应生成水。

利用电化学工作站监测并记录1小时电解过程中电解电压随时间的变化。当电解电流为25A/m²时，利用以双极膜为隔膜的电解池电化学还原CO₂的电解电压维持在1.0-1.2V左右，比以Nafion阳离子交换膜为隔膜的电解池的电解电压降低了0.8V左右，结果如图7所示。

电解结束后，收集阴极电解液，利用气相色谱标定所生成的甲醇含量，经计算发现电解过程中生成甲醇的电流效率和能量转化效率分别为45%和16%。阳极反应的生成的碘可通过萃取方法与阳极电解液分离，作为化工原料备用。

实施例3：

室温条件下，采用双极膜将电解池分隔为阴极室和阳极室，其中阴极电解液为包含有0.2摩尔/升碳酸氢钾和0.5摩尔/升氢氧化钾的混合溶液，阳极电解液中碘化钾的浓度为2摩尔/升，硫酸的浓度为0.5摩尔/升；分别采用银丝为阴极、铂片为阳极，其中铂片的尺寸为1厘米（长）×1厘米（宽）。通过导气口向阳极电解室通30分钟的CO₂气体，控制二氧化碳气体的流速为150毫升/分钟。接通电解电源，控制恒电流电解的电流密度为25A/m²，电解1小时，二氧化碳在阴极Ag电极上得到电子发生电化学还原反应，而碘离子在阳极Pt电极上发生氧化反应，生成碘单质，阳极电解液中质子和阴极电解液中的氢氧根分别由阳极室和阴极室传递至双极膜中反应生成水。

电解结束后，收集阴极电解液，利用气相色谱标定所生成的CO含量，经计算发现电解过程中生成CO的电流效率和能量转化效率分别为34%和10%。阳极反应的生成的碘可通过萃取方法与阳极电解液分离，作为化工原料备用。

实施例4：

室温条件下，采用双极膜将电解池分隔为阴极室和阳极室，其中阴极电解液为含有0.2摩尔/升碳酸氢钾和0.5摩尔/升氢氧化钾的混合溶液，阳极电解液中碘化钾的浓度为2摩尔/升，硫酸的浓度为0.5摩尔/升；分别采用In丝为阴极、铂片为阳极，其中铂片的尺寸为1厘米（长）×1厘米（宽）。通过导气口向阳极电解室通30分钟的CO₂气体，控制二氧化碳气体的流速为150毫升/分钟。接通电解电源，控制恒电流电解的电流密度为100A/m²，电解1小时，二氧化碳在阴极Ag电极上得到电子发生电化学还原反应，而碘离子在阳极Pt电极上发生氧化反应，生成碘单质，阳极电解液中质子和阴极电解液中的氢氧根分别由阳极室和阴极室传递至双极膜中反应生成水。

电解结束后，收集阴极电解液，利用气相色谱标定所生成的甲酸根含量，经计算发现电解过程中生成CO的电流效率和能量转化效率分别为36%和20%。阳极反应的生成的碘可通过萃取方法与阳极电解液分离，作为化工原料备用。

Claims

1.一种以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：该电解池包括阴极电解室、阴极电解液、阳极电解室、阳极电解液和分隔阴、阳极电解室的双极膜；

所述的阳极电解液为含有碘盐和酸的水溶液；

所述的分隔阴、阳极电解室的双极膜由阴离子交换膜、阳离子交换膜复合而成或由阴离子交换膜、阳离子交换膜及置于阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的过渡层复合而成。

2.按照权利要求1所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：所述的阴极电解液中的氢氧化物水溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂中一种或两种以上的混合物；其中氢氧化物水溶液的浓度为0.5-5mol/L。

3.按照权利要求1所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：所述的阴极电解液中的碳酸盐水溶液为碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂中一种或两种以上的混合物；其中碳酸盐水溶液的浓度为0.1-3mol/L。

4.按照权利要求1所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：所述的阴极电解液中的碳酸氢盐水溶液为碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢锂中一种或两种以上的混合物，其中碳酸氢盐水溶液的浓度为0.1-3mol/L。

5.按照权利要求1所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：所述的阳极电解液中的碘盐为碘化锂、碘化钠、碘化钾中一种或两种以上的混合物，其中碘离子的浓度为0.5-5mol/L。

6.按照权利要求1所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：所述的阳极电解液中的酸为硫酸、磷酸、高氯酸、高溴酸、高碘酸、氢溴酸、氢碘酸、盐酸、硝酸、苯磺酸中的一种或两种以上混合物，其中氢离子浓度为0.5-5mol/L。

7.按照权利要求1所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：

（1）双极膜的阴离子交换膜层朝向阴极电解室，双极膜的阳离子交换膜层朝向阳极电解室；

8.按照权利要求7所述的以以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：

所述双极膜的阴离子交换膜层中的固定基团为伯氨基、仲氨基、叔氨基、季氨基、芳氨基中的一种或两种以上的混合物；

所述双极膜的阴离子交换膜层中的高分子骨架为苯乙烯和二乙烯苯的共聚物、聚砜、聚偏二氟乙烯、聚乙烯苄基氯、阴离子交换树脂、聚醚砜、二乙烯基苯和二甲氨基-丙基-异丁烯酰胺的共聚物、甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯的共聚物中的一种或两种以上的共混物。

9.按照权利要求7所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池，其特征在于：

所述双极膜的阳离子交换膜层中的固定基团为磺酸基（-SO₃H）或磷酸基（-PO₃H₂）中的一种或两种的混合；

所述双极膜的阳离子交换膜层中的高分子骨架为苯乙烯和二乙烯苯的共聚物、丁二烯和苯乙烯的共聚物、聚苯醚、聚苯乙烯、聚醚砜、聚砜、聚醚醚酮中的一种或两种以上的共混物。

10.权利要求1所述的以双极膜为隔膜的电化学还原CO₂电解池在电化学还原CO₂中的应用，其特征在于：

（1）向阴极电解室通入二氧化碳；

（2）接通电解电源，采用恒电流或恒电压模式进行电解，其中电流密度为10-1000A/m²，电压为0.9-6V；

（3）电解过程中发生的化学反应为：阴极电解液中的氢氧根和阳极电解液中的质子在双极膜中发生中和反应生成水，二氧化碳在阴极电解室被还原为甲酸、甲酸盐、甲醇、甲烷、一氧化碳、乙烯、乙炔、乙烷中的一种或两种以上的混合物；碘离子在阳极电解室被氧化为单质碘。