CN111534829B - 一种含低共熔溶剂的水基电解液及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含低共熔溶剂的水基电解液及其应用，涉及水基电解液技术领域，该电解液由低共熔溶剂、表面活性剂及水组成，其中，低共熔溶剂的重量百分含量为1％‑20％，表面活性剂的重量百分含量为0.1％‑6％。低共熔溶液主要是由乙醇胺、二乙醇胺、N‑甲基二乙醇胺作为氢供体，及其盐酸盐作为氢受体。表面活性剂为阳离子表面活性剂。电解液中低共熔溶剂的添加使CO₂还原过程产物选择性增强，CO法拉第效率提升。

Description

一种含低共熔溶剂的水基电解液及其应用

技术领域

本发明涉及水基电解液技术领域，具体涉及一种含低共熔溶剂的水基电解液及其应用。

背景技术

二氧化碳是主要的温室气体，其排放导致全球气温升高，由此带来的环境问题关系到人类的生存和发展，是人类社会面临的最严峻的挑战之一。研究表明21世纪末CO₂排放量将使全球气温上升6℃，大大超过2℃的“安全线”，如果不采取措施必将带来灾难性的后果。矿物燃料燃烧导致大量排放CO₂，致使近年全球加速变暖。但是由于煤价格低廉而且燃烧技术发展成熟，引起人类对化石燃料的依赖性，在短时间内很仍是主要的能源来源。捕获转化二氧化碳的方法对遏制全球变暖有重要的作用。因此对温室效应气体的捕获转化是目前降低大气中CO₂含量较为有效的方法之一，是近年来的研究重点。

电化学还原二氧化碳(CO₂RR)是一种绿色环保、变废为宝的处理CO₂的方法，因为它可以以可持续的方式获得广泛的产品，过程中所需的电力来自可再生能源。整个还原过程的电势电压可控，易于操作；整个还原过程几乎无废水产生；整个还原过程所需要电能可来自太阳能、风能、地热能、潮汐能等可再生能源，以及核电站、水电站低谷用电时的弃电，没有新的CO₂排放；系统可根据需要进行任意调整。因此，电化学转化技术很适合不同规模的工业应用。

CO₂电化学还原就是一个利用电能将CO₂在电解池的阴极上还原的过程，而OH-在阳极上被氧化成氧气。限制CO₂电化学还原的主要障碍是高还原过电位。因此，改变电解质的组成是旨在提高CO₂电化学还原选择性的主要方法之一，是实现高效还原的关键。

电化学还原CO₂体系的电解质主要分为水溶液体系和非水溶性体系两大类。水溶液体系具体一氧化碳的溶解度低，并且在许多情况下，有必要抑制寄生氢的释放反应。非水溶性介质的研究方向主要有甲醇、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide，DMF)等有机溶剂，离子液体及低共熔溶剂。非水系统可能会溶解更高浓度的CO₂，但非水体系有机溶液毒性大、电流密度低等缺点，后来人们开始利用离子液体作电解质。离子液体又被称为室温熔融盐，是一种全部由正负离子组成的液体，在室温附近很宽的温度范围内均为液态。由于离子液体合成工艺复杂，产生废水，生产成本较高，高黏度，稳定性及循环再生利用也存在一些问题。低共熔溶剂(DES)是低毒且廉价离子液体的替代品。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种含低共熔溶剂的水基电解液及其应用，低共熔溶剂作为电解质在电化学还原CO₂方面有着低电位，高电流密度，高效的CO₂转化效率，高效低能耗的CO₂还原等优点。由于氯化物盐通常是最便宜的一种，因此也大大降低了电解质的成本，并为高通量实验开辟了道路。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种含低共熔溶剂的水基电解液，该电解液由低共熔溶剂、表面活性剂及水组成，其中，低共熔溶剂的重量百分含量为1％-20％，表面活性剂的重量百分含量为0.1％-6％。

进一步的，低共熔溶剂是由乙醇胺、二乙醇胺、N-甲基二乙醇胺作为氢供体，其盐酸盐作为氢受体按摩尔比4-5：1构成。

进一步的，表面活性剂为阳离子表面活性剂，包括溴化十六烷基三甲铵、十六烷基二甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基氧化胺中的一种。

进一步的，低共熔溶剂的重量百分含量为2％-10％。

进一步的，表面活性剂的重量百分含量为0.2％-4％。

上述含低共熔溶剂的水基电解液用于CO₂电催化还原。

(三)有益效果

本发明提供了一种含低共熔溶剂的水基电解液及其应用，其中，低共熔溶剂通常是二元混合物，其由氢键供体，氢键受体通过氢键缔合形成二元或三元低共熔共晶混合物，本发明选用乙醇胺盐酸盐、N-甲基二乙醇胺盐酸盐、二乙醇胺盐酸盐作为氢键受体，氢供体是乙醇胺、二乙醇胺、N-甲基二乙醇胺，其熔点大大低于单个化合物的熔点。低共熔溶液具有合成方法简单，成本低，粘度低，蒸气压低，电导率高的优点。本发明基于有机氯化物盐与胺类的组合设计了简单且可溶于有机溶剂的系统。低共熔溶剂作为电解质在电化学还原CO₂方面有着低电位，高电流密度，高效的CO₂转化效率，高效低能耗的CO₂还原等优点。由于氯化物盐通常是最便宜的一种，因此也大大降低了电解质的成本，并为高通量实验开辟了道路。

附图说明

图1：实施例1制备的低共熔溶剂；

图2：实施例4电解质溶液中CO和H₂的法拉第效率。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种低共熔溶剂，是由乙醇胺与其盐酸盐按摩尔比为4：1进行混合，在室温下搅拌混合30分钟得到澄清后制得。

实施例2：

一种低共熔溶剂，是由N-甲基二乙醇胺与其盐酸盐按摩尔比为5：1，在50℃下进行搅拌混合，得到澄清溶液后制得。

实施例3：

一种低共熔溶剂，是由二乙醇胺与乙醇胺盐酸盐以摩尔比4：1，在30℃下进行搅拌混合，得到澄清溶液后制得。

实施例4：

二氧化碳电催化实验：

以包含3％wt实施例1制备的低共熔溶剂和1％溴化十六烷基三甲铵的水溶液作为电解质溶液，以银电极为工作电极，铂片为对电极，在3MKCl溶液Ag/AgCl作为参考电极。首先用N₂冲15min，然后在室温条件下引入CO₂。加以-1.5V的电压，收集气相还原产物。采用气相色谱法分析还原产物的组成，并进一步计算法拉第效率。实验结果表明生成CO的法拉第效率可以达到72％。

实施例5：

二氧化碳电催化实验：

以包含5％wt实施例2制备的低共熔溶剂和2％十六烷基二甲基氯化铵的水溶液作为电解质溶液，以银电极为工作电极，铂片为对电极，在3MKCl溶液Ag/AgCl作为参考电极。首先用N₂冲15min，然后在室温条件下引入CO₂。加以-1.5V的电压，收集气相还原产物。采用气相色谱法分析还原产物的组成，并进一步计算法拉第效率。实验结果表明生成CO的法拉第效率可以达到68％。

实施例6：

二氧化碳电催化实验：

以包含6％wt实施例3制备的低共熔溶剂和0.5％十二烷基二甲基氧化胺的水溶液作为电解质溶液，以银电极为工作电极，铂片为对电极，在3MKCl溶液Ag/AgCl作为参考电极。首先用N₂冲15min，然后在室温条件下引入CO₂。加以-1.5V的电压，收集气相还原产物。采用气相色谱法分析还原产物的组成，并进一步计算法拉第效率。实验结果表明生成CO的法拉第效率可以达到78％。

实施例7：

二氧化碳电催化实验：

以包含4％wt实施例3制备的低共熔溶剂2％十八烷基三甲基氯化铵的水溶液作为电解质溶液，以银电极为工作电极，铂片为对电极，在3MKCl溶液Ag/AgCl作为参考电极。首先用N2冲15min，然后在室温条件下引入CO2。加以-1.4V的电压，收集气相还原产物。采用气相色谱法分析还原产物的组成，并进一步计算法拉第效率。实验结果表明生成CO的法拉第效率可以达到78％。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种含低共熔溶剂的水基电解液，其特征在于，该电解液由低共熔溶剂、表面活性剂及水组成，其中，低共熔溶剂的重量百分含量为1％-20％，表面活性剂的重量百分含量为0.1％-6％；所述低共熔溶剂是由乙醇胺、二乙醇胺、N-甲基二乙醇胺作为氢供体，其盐酸盐作为氢受体按摩尔比4-5：1构成。

2.如权利要求1所述的含低共熔溶剂的水基电解液，其特征在于，所述表面活性剂为阳离子表面活性剂，包括溴化十六烷基三甲铵、十六烷基二甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基氧化胺中的一种。

3.如权利要求1所述的含低共熔溶剂的水基电解液，其特征在于，所述低共熔溶剂的重量百分含量为2％-10％。

4.如权利要求1所述的含低共熔溶剂的水基电解液，其特征在于，所述表面活性剂的重量百分含量为0.2％-4％。

5.如权利要求1-4任一项所述的含低共熔溶剂的水基电解液在CO₂电催化还原领域的应用。

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