CN116083933A - 一种二氧化碳电催化反应系统及反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二氧化碳电催化反应系统及反应方法，该方法或系统均采用电化学系统首先为碳酸氢盐反应提供H⁺，使碳酸氢盐与H⁺反应生成二氧化碳，在电催化的作用下使二氧化碳直接还原为一氧化碳，且在流场力的作用下及时驱散二氧化碳还原催化剂表面的OH^‑，提升二氧化碳的还原效率。

Description

一种二氧化碳电催化反应系统及反应方法

技术领域

本发明涉及一种电化学反应系统及反应方法，尤其涉及一种二氧化碳电催化反应系统及反应方法。

背景技术

随着经济和社会的快速发展，世界范围内对能源的需求不断增加。化石燃料的大量消耗导致大气中CO₂的不断积累，目前全球大气CO₂平均浓度超过400ppm，远超安全上限350ppm。在“双碳目标”下，利用可再生能源将二氧化碳电还原为高价值化学品和燃料被认为在减少CO₂排放方面具有实际前景。

工业上CO₂的利用主要经过捕获、释放、加压运输、利用以及最后的产物分离过程，即使用碱性溶液(如乙醇胺溶液、K₂CO₃溶液、KOH溶液)对来自废气中的CO₂进行捕获，然后将富含CO₂的捕获液加热到90℃以上将CO₂释放，释放的CO₂经过加压主要通过管道进行运输，然后进行电化学利用，最后进行产物分离。由于溶液中水的比热容较大，导致CO₂释放为高耗能的过程，消耗了整个过程90％的能量。将富含碳酸氢盐的液态碳捕获溶液直接电化学转化为高价值化学品可以避免CO₂的释放这一能源密集和资本密集过程，是人们认为的一种较好的解决方法。

为了实现这些目标，人们正在设计“碳酸氢盐电解槽”架构，这种类型的电解槽将富含碳酸氢盐的CO₂捕获液直接转化为CO等含碳产品，同时再生碳酸盐和氢氧化物吸附剂以进行后续的碳捕获。这种碳酸氢盐电解槽将CO₂电化学与上游碳捕获联系起来，无需高温或加压步骤，从而降低了整个过程的能耗。

碳酸氢盐电解槽中的CO₂电还原过程主要是指在可再生电力下，CO₂得电子同时争夺水中的质子产生高价值产物和OH^-的过程。同时由于电催化还原CO₂(CO₂RR)与水还原制氢(HER)的电位十分相近，因为CO₂RR会不可避免的有HER反应的竞争，这也是一个产生OH^-的反应。上述两个过程产生的OH^-在电场作用下聚集在催化剂表面，与到达催化剂表面的CO₂进行反应，降低CO₂的供应，导致CO₂供应不足，HER加剧，最终整个过程由CO₂转化成CO的FE较低。

发明内容

本发明为了解决CO₂转化成CO的法拉第效率(FE)低的问题，一方面提供了一种二氧化碳电催化反应方法，另一方面提供了一种二氧化碳电催化反应系统，该方法或系统均采用电化学反应系统首先为碳酸氢盐反应提供H⁺，使碳酸氢盐与H⁺反应生成二氧化碳，在电催化的作用下使二氧化碳直接还原为一氧化碳，且在流场力的作用下及时驱散二氧化碳还原催化剂表面的OH^-，提升二氧化碳的还原效率。

所采取的方案为：一种二氧化碳电催化反应方法，采用电化学系统实现二氧化碳电还原，其中电化学反应系统包括由离子交换膜间隔开的阳极区和阴极区，阳极区内置有阳极电极和阳极液，阴极区内置有阴极电极和阴极液，阴极区内还构筑有使阴极液由离子交换膜流至阴极电极第一侧面再流至阴极电极第二侧面的流场力，阴极电极第一侧面和阴极电极第二侧面分别为阴极电极的两侧；

反应方法包括以下步骤：

所述阳极液在阳极区内发生氧化反应，并经离子交换膜为阴极区提供H⁺；

H⁺与阴极液碳酸氢盐反应生成CO₂，反应式为：

H⁺+HCO₃ ^-→CO₂+H₂O；

在流场力的作用下，CO₂随阴极液流向阴极电极的第一侧面，CO₂在二氧化碳还原催化剂的作用下发生还原反应生成CO和OH^-，反应式为

CO₂+H₂O+2e^-→CO+2OH^-；

CO₂还原过程中产生的OH^-在所述流场力的作用下，随阴极液透过阴极电极在阴极电极背对离子交换膜的一侧导出。

该方法(1)采用电化学系统电解产生H+与二氧化碳捕获液碳酸氢盐反应释放出二氧化碳，降低了原始手段加热使其释放二氧化碳的能耗；(2)对生成的二氧化碳直接在阴极催化剂的作用下还原为一氧化碳，形成可利用高价值含碳产物，避免二氧化碳释放至空气导致温室效应；(3)通过设计流场力，驱使阴极液以特定的方向流动，在流动过程中带动二氧化碳快速至阴极电极催化剂表面进行还原反应；(4)通过设计流场力使催化剂表面生产的OH-快速脱离催化剂，避免OH-聚集导致二氧化碳与OH-副反应、水还原制氢副反应的进行，有效提升二氧化碳还原效率；(4)阴极液中未反应的碳酸氢盐与生成的OH-反应形成碳酸盐，再次作为二氧化碳捕集液回收利用到二氧化碳捕获中。

本发明另一方面提供了一种二氧化碳电催化反应系统，二氧化碳电催化反应系统与上述二氧化碳电催化反应方法相对应，包括阴极区和阳极区，所述阴极区和阳极区之间设置有离子交换膜；阳极区内置有阳极液和阳极电极，所述阳极液在阳极电极发生氧化反应并经所述离子交换膜作用为所述阴极区提供H⁺；阴极区内置有阴极液、阴极电极和辅助板，所述阴极液为碳酸氢盐溶液，所述阴极电极上负载有二氧化碳还原催化剂，所述阴极电极与所述离子交换膜相对设置，所述辅助板用于与阴极电极、离子交换膜共同形成封闭腔体，封闭腔体上引入阴极液入口，阴极液由阴极液入口流入封闭腔体后透过阴极电极流出阴极区；

阴极液由阴极液入口进入封闭腔体后与在H⁺作用生成CO₂，反应式为：

H⁺+HCO₃ ^-→CO₂+H₂O；

CO₂随阴极液流动至阴极电极发生还原反应生成CO，反应式为：

CO₂+H₂O+2e^-→CO+2OH^-。

该电催化反应系统中通过在离子交换膜和阴极电极之间设计封闭空间，在阴极电极上设计微孔方便阴极液透过阴极电极流出，实现阴极液流入有限空间后形成的向阴极电极流动并透过阴极电极流出的流场，通过该流场带动二氧化碳随阴极液流至阴极电极，并及时冲刷走聚集在阴极电极催化剂表面的OH^-，提升二氧化碳的还原效率。

再一方面，本发明对二氧化碳还原催化剂做了进一步优选，提供了一种二氧化碳还原催化剂，其制备方法包括：CoPC溶解在N-N二甲基甲酰胺中得到CoPC的饱和溶液；向所述CoPC的饱和溶液中加入多壁碳纳米管，充分搅拌，使CoPC负载到多壁碳纳米管，而后清洗、冻干制得。

该制备方法通过CoPC与CNT之间的II-II相互作用，将CoPC负载到CNT上；Co原子周围有4个配位分子，由于配位分子之间的相互作用，Co原子不会聚集在一起形成颗粒，是单原子的状态，提升了催化剂的二氧化碳吸附能力，进而提升二氧化碳的还原效率。

附图说明

图1本发明中二氧化碳电催化反应系统结构图；

图2本发明中实施例1-4中CO的FE随电流变化趋势图；

图3实施例1、5、6、7中CO的FE随电流变化趋势图；

图4实施例1、8、9中CO的FE随电流变化的趋势图；

图5实施例1、10、11、12中装置电阻变化趋势图；

图中1、阳极导流板，2、阳极电极，3、离子交换膜，4、辅助板，401、通腔，402、导管，5、阴极电极，6、阴极导流板，7、蛇形凹槽。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明中的二氧化碳电催化反应方法，采用电化学系统电催化产生H⁺，使碳酸氢盐与H⁺反应生成二氧化碳，生成的二氧化碳电催化还原为一氧化碳，电化学系统包括电解池、外接电路、电源等，外接电路连接外接电源和电解池中的阴极电极或阳极电极。电解池通过离子交换膜间隔为阳极区和阴极区，阳极区与阴极区之间通过离子交换膜交换离子实现电荷平衡。阳极区内置有阳极电极和阳极液，阴极区内置有阴极电极和阴极液，该处的阳极电极、阴极电极并不对形状或材质做限定，可以是具有较好硬度的块状体、棒状体、网状体、板状体，也可以是具有一定柔性的布或膜材料，以具有设定功能为主。本发明中的方法还包括对阴极液中施加流场力，流场力使阴极液具有由离子交换膜处或靠近离子交换膜的位置流动至阴极电极第一侧面，再透过阴极电极流动至阴极电极第二侧面，具体步骤为：

(1)阳极液在阳极区内发生氧化反应，并通过离子交换膜的作用为阴极区提供H⁺；

本发明中的方法适用于任何性质的阳极液，可以是酸性溶液或碱性溶液，当阳极液为酸性溶液时，离子交换膜采用阳离子交换膜，阳极反应式为：

H₂O-2e^--→1/2O₂+2H⁺ (1)；

H⁺通过阳离子交换膜至阴极区，作为一种优选方案，酸性溶液为PH＝2的H₂SO₄溶液。

当阳极液为碱性溶液时，离子交换膜采用双极膜，阳极反应式为：

4OH^--4e^-→2H₂O+O₂ (2)：

同时在双极膜内发生水分解反应，反应式为：

H₂O→H⁺+OH^- (3)；

双极膜为阴极区提供H⁺。

(2)H⁺透过离子交换膜至阴极区与阴极液反应，阴极液可以是任何能够与H⁺作用产生二氧化碳的溶液，优选该溶液为前驱体溶液吸收二氧化碳后形成的溶液，再优选为碳酸氢盐溶液，碳酸氢盐溶液为碳酸盐溶液吸收二氧化碳后形成，再优选为碳酸氢钾或碳酸氢钠溶液，溶液与H⁺作用生成二氧化碳的反应式为：

H⁺+HCO₃ ^-→CO₂+H₂O (4)；

由于靠近离子交换膜区域的H+浓度较高，随距离增加H⁺浓度降低，因而碳酸氢盐溶液优选首先导入靠近离子交换膜区。

(3)在流场力的作用下，生成的CO₂随阴极液流向阴极电极的第一侧面，第一侧面上负载二氧化碳还原催化剂，阴极电极上发生还原反应，反应式为：

CO₂+H₂O+2e^-→CO+2OH^- (5)。

二氧化碳还原催化剂可以负载在阴极电极的表面、内部等与阴极液接触的任何部位，可以单负载在第一侧面，也可以在第一侧面、第二侧面均负载。二氧化碳还原催化剂优选CoPC(钴酞菁)，该催化剂二氧化碳吸附能力强，有利于推动二氧化碳还原反应，增加二氧化碳夺电子能力，再优选CoPC@CNT催化剂，该催化剂为CoPC负载在CNT(多壁碳纳米管)形成，CoPC与CNT之间的II-II相互作用，将CoPC负载到CNT上；Co原子周围有4个配位分子，由于配位分子之间的相互作用，Co原子不会聚集在一起形成颗粒，是单原子的状态，增加催化剂的作用面，具体制备方法为：

a CoPC溶解在N-N二甲基甲酰胺中得到CoPC的饱和溶液；

b向所述CoPC的饱和溶液中加入CNT，充分搅拌，使CoPC负载到CNT上。

(4)阴极电极上CO₂还原反应生成的OH^-或H₂O还原产生的OH^-随阴极液在流场力的作用下继续流动，并导出阴极区。

OH^-在电场力的作用下聚集在催化剂的表面，会与到达催化剂表面的二氧化碳发生副反应：

CO₂+OH^-→HCO₃ ^- (6)；

该反应一方面阻碍了二氧化碳还原，另一方面消耗了反应(5)得到的二氧化碳，使其回到原产物，增加了耗能；流场力克服电场力使OH-随阴极液向后流动，及时脱离催化剂表面，进而增加二氧化碳与催化剂的作用面，推动二氧化碳的还原进程，提升二氧化碳与水争夺电子的能力，最终实现二氧化碳还原效率的突破性提升，由50％提升至90％。

基于上述二氧化碳电催化还原反应方法，本发明中的二氧化碳电催化反应系统可以设置为，包括电解池，电解池内设置在上文中已经阐述，在此不再赘述，作为流场力的一种实现形式，本发明中的电催化反应系统在阴极区内设置有辅助板，辅助板设置在离子交换膜与阴极电极之间，辅助板、离子交换膜、阴极电极相互围成一封闭腔体，值得注意的是该处的封闭腔体是指空腔相对封闭而非密闭，阴极液以流动的形式进入并导出阴极区。阴极液入口设置在封闭腔体上，阴极液出口设置在封闭腔体外，优选设置在阴极电极的外侧，该处的外侧是以封闭腔体为内描述的，阴极电极上设置有微孔或狭道或其余形状孔隙使阴极液能够透过孔隙流出封闭腔体。阴极液具体流动路径为：阴极液由阴极液入口进入封闭腔体后，在封闭腔体有限空间与阴极液不断增多的作用下，使阴极液透过阴极电极由阴极电极外侧的阴极液出口排出，阴极液在透过阴极电极流动的过程中带动阴极电极上的OH^-及时脱离阴极电极。

辅助板对其是否为板状不做限定，可以是柔性膜材料或硬质板材，以不会渗液或渗液量可忽略为主要选材依据，若为板材可以是一块或n块板，其材质可以是硬质板材或柔性板材，优选亚克力板，作为实现封闭腔体的一种形式，辅助板为具有一定厚度的亚克力板，离子交换膜与阴极电极相对设置，辅助板上设置有通腔，通腔贯穿辅助板的两侧，在通腔的两端即亚克力板的两侧分别设置离子交换膜和阴极电极，通腔形成封闭腔体。阴极液入口可以设置在能够通向封闭腔体的任何位置处，优选阴极液入口通向封闭腔体内靠近离子交换膜的区域，阴极液入口数量可以是一个或多个，作为阴极液入口的一种优选设置形式，可以以导管的形式设置在辅助板上，阴极液入口与离子交换膜的距离小于与阴极电极的距离，入口设置有两个，若离子交换膜、辅助板、阴极电极均竖直设置，则两入口分别为上入口和下入口，保证各区域阴极液与H+均匀反应。该处及本实施方式中其余处所涉及到的“上”“下”等方位词均以装置或系统在使用状态下的常规定义进行描述的。

封闭腔体可以设置为任何大小和形状，以能够提供充足的流场力克服电场力为主要依据，作为一种优选的设置形式，辅助板的厚度或封闭腔体的长度或离子交换膜与阴极电极的距离为2～8mm，该设置下，能够使阴极液在50～250ml/min流入封闭腔体时，OH^-轻松克服电场力及时脱离阴极电极，有效增加二氧化碳还原率，使其还原效率保持在90％以上。

作为阴极液流出的一种具体设置形式，在阴极电极背对离子交换膜的一侧设置阴极导流板，阴极导流板上设置有阴极导流通道，具体设置为蛇形导流通道，阴极导流板竖直设置且与阴极电极贴合，蛇形导流通道为设置在阴极导流贴合阴极电极一侧的蛇形凹槽，阴极液的出口设置在阴极导流板的上端面，实现阴极液沿蛇形导流通道向上流动并导出，该设置不仅可以及时冲刷走阴极电极上的OH^-而且使溶液中的二氧化碳充分反应。

作为阳极区的一种具体设置形式，阳极电极上贴合设置有阳极导流板，阳极导流板上设置有阳极液导流通道，优选为蛇形导流通道，再优选为在阳极导流板贴合阳极电极的一侧设置蛇形凹槽，阳极液入口设置在阳极导流板的下端，阳极液出口设置在阳极导流板的上端，阳极液由阳极液入口沿蛇形导流通道至阳极液出口流出，由于阳极导流板与阳极电极贴合设置，阳极液在流经蛇形导流通道的过程中发生氧化反应，该设置在保证阳极液充分反应的基础上减小阳极区空间。作为一种优选，阳极电极上负载有用于催化氧化反应的催化剂，阳极电极为网状体，阳极液透过阳极电极与离子交换膜接触。再优选阳极电极上负载Ir@Ti催化剂。蛇形导流通道的设置可以增加反应液(阴极液或阳极液)与阴极或阳极上催化剂的接触时间，使反应液充分反应。

再作为一种优选的设置方式，系统中的阳极导流板、阳极电极、离子交换膜、辅助板、阴极电极、阴极导流板依次贴合设置，整个装置为图1所示状态下的叠层结构，装置结构简单。

工作时，阳极电极通过外接电路连接外接电源的正极，阴极电极通过外接电路连接外接电源的负极。本发明中的二氧化碳电催化反应方法或反应系统一方面通过及时带走阴极电极上二氧化碳还原催化剂表面生成的OH^-提升二氧化碳争夺电子的能力，提升二氧化碳的还原性，另一方面使阴极液经过生成二氧化碳反应得到碳酸盐、通过二氧化碳还原反应得到OH^-、未反应的碳酸氢盐与OH^-反应再次得到碳酸盐，使流出的阴极液能够循环利用到二氧化碳吸收中，达到产物的循环利用。

下面以具体实施例的形式进一步详细说明。

CoPC@CNT催化剂制备方法包括以下步骤：

a取50mg CoPC溶解在100mlN-N二甲基甲酰胺(DMF)中，抽滤，得到CoPC的饱和溶液；

b向饱和溶液中加入200mgCNT，搅拌7天，使CoPC负载到CNT上；

c采用DMF在转速11000rmp下离心洗涤三次，用于洗去未负载到碳纳米管上的CoPC颗粒，每次离心时间为15min，清洗完毕后将上清液倒出，保留负载有CoPC的碳纳米管；

d采用无水乙醇在转速11000rmp下离心洗涤两次，每次离心时间为15min，离心后倒出上清液，保留负载有CoPC的碳纳米管；

e向负载有CoPC的碳纳米管中加水，并使其分散均匀

f冻干机连续冻干48h，得到CoPC@CNT固体

取2mg上述CoPC@CNT固体依次加入50μl Nafion溶液和950μl无水乙醇，采用连续超声分散均匀，得到CoPC@CNT的催化剂溶液。

将上述催化剂溶液按照1mg/cm²的量分批次滴于碳布上，自然风干，得到负载有CoPC@CNT催化剂的阴极电极，该电极将用于以下实施例中。

实施例1

二氧化碳电催化反应系统如图1，包括依次相互固定设置的阳极导流板1、辅助板4、阴极导流板6，阳极导流板1、辅助板4、阴极导流板6均竖直设置，其固定方式可以是采用紧固螺栓可拆卸固定连接，在阳极导流板1、辅助板4之间夹层设置有阳极电极2和离子交换膜3，阳极电极2与阳极导流板1贴合，阳极导流板1朝向阳极电极2的一侧设置蛇形导流通道，具体为阳极导流板1朝向阳极电极2的一侧设置有蛇形凹槽7，蛇形凹槽7与贴合在其上的阳极电极2配合形成导流通道，蛇形导流通道的入口(阳极液入口)设置阳极导流板1的下方，出口(阳极液出口)设置在阳极导流板1的上方，阳极液采用下进上出的形式进入蛇形导流通道，阳极液在流经蛇形导流通道时与阳极电极2作用发生氧化反应。阳极电极2上设置有网孔，网孔结构使阳极液能够透过阳极电极2与阳极膜接触。

本实施例中阳极液为PH＝2的H₂SO₄，阳极液在蛇形导流通道上的流速为80ml/min，离子交换膜3采用阳离子交换膜N117，阳极电极2面积为2cm×2cm，阳极液在阳极电极2上发生的还原反应为：

H₂O-2e^-→1/2O₂+2H⁺ (1)；

辅助板4为设置有通腔401的亚克力板，通腔401贯穿板的两侧，在辅助板4与阴极电极5之间夹层设置有阴极电极5，阳离子交换膜3和阴极电极5分别设置在辅助板4的两侧封堵通腔401两端开口，使通腔401形成封闭腔体；在辅助板4上还设置有第一导管和第二导管，两导管402通向封闭腔体形成阴极液入口，使阴极液通过两导管402导入封闭腔体发生反应：H⁺+HCO₃ ^-→CO₂+H₂O。

本实施例中阴极液为KHCO₃，初始浓度为3M，辅助板4厚度为2mm，阴极液流速为100ml/min。

阴极导流板6与阴极电极5贴合设置，阴极导流板6上设置有阴极导流通道，阴极导流通道自下而上呈蛇形分布，具体为设置在阴极导流板6朝向阴极电极5一侧的蛇形凹槽7，该蛇形凹槽7与其上贴合的阴极电极5配合形成阴极导流通道，阴极导流通道的下端口封堵，上端口打开作为阴极液出口，阴极液透过阴极电极5后进入阴极导流通道，而后由上端口流出。

本实施例中阴极电极5为将实施例1中的CoPC@CNT溶液滴于碳布上形成的。HCO₃-发生反应产生的CO₂流动至阴极电极5催化剂表面发生反应：

CO₂+H₂O+2e^-→CO+2OH^-；

同时阴极液中的碳酸氢钾与OH^-反应生成碳酸钾：OH-+HCO3^-→CO₃ ^2-+H₂O，该反应一方面消耗了OH^-防止其阻碍二氧化碳与催化剂接触，另一方面形成碳酸钾，再次用于捕获二氧化碳，形成资源的循环利用，再一方面使阴极液的PH值升高，提高阴极液在后续CO₂捕获过程对CO₂的吸收能力。

本实施例中的阳极导流板1和阴极导流板6均采用5cm×5cm的亚克力板，导流通道宽度为1mm，通过电化学工作站(Gamry)中的EIS测量得到本实施例中电催化反应系统的电阻为15ohm。

实施例2

与实施例1的不同之处仅在于阳极液为0.1M KOH，离子交换膜3为双极膜(BPM)，阳极反应式为：4OH- -4e-→2H₂O+O2；双极膜内发生水分解反应H₂O→H⁺+OH^-，产生的H⁺进入阴极区与阴极液反应产生二氧化碳。

实施例3

与实施例1的不同之处仅在于阳极液流速为50ml/min。

实施例4

与实施例1的不同之处仅在于阳极液流速为100ml/min。

实施例5

与实施例1相比，不同之处仅在于阴极液在封闭腔体内的流速为150ml/min，电催化反应系统的电阻为13ohm。

实施例6

与实施例1相比，不同之处仅在于阴极液在封闭腔体内的流速为250ml/min，电催化反应系统的电阻为10ohm。

实施例7

与实施例1相比，不同之处仅在于阴极液在封闭腔体内的流速为50ml/min，电催化反应系统的电阻为35ohm。

实施例8

与实施例1相比，不同之处仅在于阴极液KHCO3的初始浓度为1.5M。

实施例9

与实施例1相比，不同之处仅在于阴极液KHCO3的初始浓度为0.75M。

实施例10

与实施例1相比，不同之处仅在于辅助板4厚度为4mm，电催化反应系统的电阻为20ohm。

实施例11

与实施例1相比，不同之处仅在于辅助板4厚度为6mm，电催化反应系统的电阻为40ohm。

实施例12

与实施例1相比，不同之处仅在于辅助板4厚度为8mm，电催化反应系统的电阻为45ohm。

对比例1

与实施例1相比，不同之处仅在于二氧化碳还原催化剂采用银，阴极电极5为碳布上滴加银颗粒形成。

对比例2

与实施例1相比，不同之处仅在于二氧化碳还原催化剂采用银，阴极电极5为碳布磁控溅射银形成，银层厚度为250nm。

法拉第效率测试方法如下：用电化学工作站给电催化反应系统通入恒电流，反应10min后，用50sccm的氩气做载气将阴极液中的气体通入气相色谱进行分析。

根据气象色谱测得的cO和H₂的浓度分别计算它们法拉第效率，具体计算公式如下：

FE＝zn F/Q

其中，z为cO₂还原为产物过程中的电子转移个数，n为反应物的摩尔数(mol)，F为法拉第常数(96485C/mol)，Q为反应过程中输入的总电量。

表1各实施例及对比例中电催化反应系统在特定电流密度下CO₂转化为CO的法拉第效率(FE)

表1中“/”表示在该电流密度下，由于电阻过高，受到电催化反应系统的最高电压限制，导致过载。

由表1可知，我们的装置可以提高“碳酸氢盐电解槽”中CO的法拉第效率，最高可达92％，明显高于目前报道。

图2展示了在不同电流下，当阴极液流速越大时，每一个电流下的CO的FE都越高，说明增大流场可以强化传质，提高二氧化碳还原的选择性。

图3展示了在相同条件下，当KHCO₃的浓度越高时，每一个电流下的CO的FE越高。

图4展示了进液板越厚，体系电阻越大，能耗越高。

Claims (16)

1.一种二氧化碳电催化反应系统，其特征在于：包括阴极区和阳极区，所述阴极区和阳极区之间设置有离子交换膜；

所述阳极区内置有阳极液和阳极电极，所述阳极液在阳极电极发生氧化反应并经所述离子交换膜作用为所述阴极区提供H⁺；

所述阴极区内置有阴极液、阴极电极和辅助件，所述阴极液为碳酸氢盐溶液，所述阴极电极上负载有二氧化碳还原催化剂，所述阴极电极与所述离子交换膜相对设置，所述辅助件用于与阴极电极、离子交换膜共同形成封闭腔体，封闭腔体上引入阴极液入口，阴极液由阴极液入口流入封闭腔体后透过阴极电极流出阴极区；阴极液由阴极液入口进入封闭腔体后与在H⁺作用生成CO₂，反应式为：H⁺+HCO₃ ^--→CO₂+H₂O；

CO₂随阴极液流动至阴极电极发生还原反应生成CO，反应式为：CO₂+H₂O+2e^-→CO+2OH^-。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化反应系统，其特征在于：所述离子交换膜为阳离子交换膜，所述阳极液为酸性溶液，阳极反应式为：H₂O-2e^-→1/2O₂+2H⁺。

3.根据权利要求1所述的二氧化碳催化反应系统，其特征在于：所述离子交换膜为双极膜，所述阳极液为碱性溶液，阳极反应式为：4OH^--4e^-→2H₂O+O₂。

4.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化反应系统，其特征在于：所述阴极电极上负载的二氧化碳还原催化剂为CoPC@CNT催化剂。

5.根据权利要求4所述的二氧化碳电催化反应系统，其特征在于：所述CoPC@CNT催化剂的制备方法包括以下步骤：

将设定量的CoPC溶解在N-N二甲基甲酰胺中得到CoPC的饱和溶液；

向所述CoPC的饱和溶液中加入多壁碳纳米管，充分搅拌，使CoPC负载到多壁碳纳米管，制得。

6.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化反应系统，其特征在于：所述辅助件为板状的辅助板，辅助板上设置有贯穿板两侧的通腔，离子交换膜和阴极电极分置于通腔两端封堵所述通腔，使所述通腔形成所述封闭腔体，所述阴极液入口将所述阴极液引入所述封闭腔体内。

7.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化反应系统，其特征在于：所述阴极液为碳酸氢钾，浓度为0.75～3M。

8.根据权利要求7所述的二氧化碳电催化反应系统，其特征在于：所述离子交换膜和阴极电极之间间距为2～8mm。

9.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化反应系统，其特征在于：所述阳极区还设置有阳极导流板，所述阳极导流板上设置有蛇形导流通道，所述阳极导流板与阳极电极贴合设置，阳极液在流经所述蛇形导流通道的路径中发生氧化反应。

10.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化反应系统，其特征在于：所述阴极电极为CoPC@CNT溶液滴于碳布上形成。

11.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化反应系统，其特征在于：还包括阴极导流板，所述阴极导流板与阴极电极贴合设置，且设置在阴极电极背对离子交换膜的一侧，阴极导流板上设置有蛇形导流通道，阴极液透过阴极电极后经由蛇形导流通道流出。

12.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化反应系统，其特征在于：所述阴极液由所述阴极液入口流入所述阴极区，流速为50～250ml/min。

13.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化反应系统，其特征在于：所述阳极区内还设置有阳极导流板，阳极导流板和阳极电极贴合设置，在阳极导流板贴合阳极电极的一侧上设置有阳极液导流通道，阳极液流经阳极液导流通道时在阳极电极上发生氧化反应上；

在阴极区内还设置有阴极导流板，所述辅助件为辅助板，所述离子交换膜、辅助板、阴极电极和阴极导流板依次设置，所述辅助板上设置有贯穿板两侧的通腔，离子交换膜和阴极电极分置于辅助板两侧并封堵通腔使通腔形成所述封闭腔体；所述阴极液入口通向所述封闭腔体，阴极液由阴极液入口流入封闭腔体后透过阴极电极至阴极导流板，并由阴极导流板导出。

14.一种二氧化碳电催化反应方法，其特征在于：采用电化学反应系统使碳酸氢盐反应生成二氧化碳，然后二氧化碳还原生成一氧化碳，所述电化学反应系统包括由离子交换膜间隔开的阳极区和阴极区，所述阳极区内置有阳极电极和阳极液，所述阴极区内置有阴极电极和阴极液，所述阴极区内还构筑有流场力，所述流场力使阴极液有由所述离子交换膜流向阴极电极第一侧面再流向阴极电极第二侧面的流动趋势，所述阴极电极第一侧面和阴极电极第二侧面为阴极电极相对的两侧；

反应方法包括以下步骤

所述阳极液在所述阳极区内发生氧化反应，并经所述离子交换膜为阴极区提供H⁺；

H⁺与阴极液碳酸氢盐反应生成CO₂，反应式为：

H⁺+HCO₃ ^-→CO₂+H₂O；

在所述流场力的作用下，CO₂随阴极液流向阴极电极的第一侧面，所述CO₂在二氧化碳还原催化剂的作用下发生还原反应生成CO和OH^-，反应式为CO₂+H₂O+2e^-→CO+2OH^-；

CO₂还原过程中产生的OH-在所述流场力的作用下，随阴极液透过阴极电极后导出。

15.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化反应方法，其特征在于：所述二氧化碳还原催化剂为CoPC@CNT。

16.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化反应方法，其特征在于：所述阴极液在所述流场力的作用下，流速为50～250ml/min。

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