DE102017211930A1 - Membrane-coupled cathode for the reduction of carbon dioxide in acid-based electrolytes without mobile cations - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Elektrolyse von CO2, wobei die Elektrolysezelle einen Salzbrückenraum aufweist, der eine flüssige und/oder gelöste Säure umfasst, eine Elektrolysezelle mit einen Kathodenraum umfassend eine Kathode, einer ersten Ionenaustauschermembran, welche einen Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter enthält und welche an den Kathodenraum angrenzt, wobei die Kathode die erste Ionenaustauschermembran direkt kontaktiert, einem Anodenraum umfassend eine Anode, und einem Diaphragma, welches an den Anodenraum angrenzt, wobei weiter ein Salzbrückenraum vorhanden ist, welcher zwischen der erste Ionenaustauschermembran und dem Diaphragma angeordnet ist, eine Elektrolyseanlage umfassend die Elektrolysezelle, sowie die Verwendung der Elektrolysezelle oder der Anlage zur Elektrolyse von CO2. The present invention relates to a process for the electrolysis of CO 2 , the electrolysis cell having a salt bridge space comprising a liquid and / or dissolved acid, an electrolytic cell having a cathode space comprising a cathode, a first ion exchange membrane containing an anion exchanger and / or anion transporter and which adjoins the cathode space, the cathode directly contacting the first ion exchange membrane, an anode space comprising an anode, and a diaphragm adjacent to the anode space, further having a salt bridge space disposed between the first ion exchange membrane and the diaphragm. an electrolysis plant comprising the electrolysis cell, as well as the use of the electrolysis cell or the plant for the electrolysis of CO 2 .
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Elektrolyse von CO2, wobei die Elektrolysezelle einen Salzbrückenraum aufweist, der eine flüssige und/oder gelöste Säure umfasst, eine Elektrolysezelle mit einen Kathodenraum umfassend eine Kathode, einer ersten Ionenaustauschermembran, welche einen Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter enthält und welche an den Kathodenraum angrenzt, wobei die Kathode die erste Ionenaustauschermembran direkt kontaktiert, einem Anodenraum umfassend eine Anode, und einem Diaphragma, welches an den Anodenraum angrenzt, wobei weiter ein Salzbrückenraum vorhanden ist, welcher zwischen der erste Ionenaustauschermembran und dem Diaphragma angeordnet ist, eine Elektrolyseanlage umfassend die Elektrolysezelle, sowie die Verwendung der Elektrolysezelle oder der Anlage zur Elektrolyse von CO2.The present invention relates to a process for the electrolysis of CO 2 , the electrolysis cell having a salt bridge space comprising a liquid and / or dissolved acid, an electrolytic cell having a cathode space comprising a cathode, a first ion exchange membrane containing an anion exchanger and / or anion transporter and which adjoins the cathode space, the cathode directly contacting the first ion exchange membrane, an anode space comprising an anode, and a diaphragm adjacent to the anode space, further having a salt bridge space disposed between the first ion exchange membrane and the diaphragm. an electrolysis plant comprising the electrolysis cell, as well as the use of the electrolysis cell or the plant for the electrolysis of CO 2 .
Stand der TechnikState of the art
Durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen wird momentan etwa 80% des weltweiten Energiebedarfs gedeckt. Durch diese Verbrennungsprozesse wurden im Jahr 2011 weltweit circa 34.032,7 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid (CO2) in die Atmosphäre emittiert. Diese Freisetzung ist der einfachste Weg, auch große Mengen an CO2 (Braunkohlekraftwerke über 50000 t pro Tag) zu entsorgen.The burning of fossil fuels currently covers about 80% of global energy needs. In 2011, these combustion processes emitted around 34,032.7 million tonnes of carbon dioxide (CO 2 ) into the atmosphere worldwide. This release is the easiest way to dispose of even large amounts of CO 2 (lignite-fired power plants over 50,000 t per day).
Die Diskussion über die negativen Auswirkungen des Treibhausgases CO2 auf das Klima hat dazu geführt, dass über eine Wiederverwertung von CO2 nachgedacht wird. Thermodynamisch gesehen liegt CO2 sehr niedrig und kann daher nur schwer wieder zu brauchbaren Produkten reduziert werden.The discussion about the negative effects of the greenhouse gas CO 2 on the climate has led to a reflection on the recycling of CO 2 . Thermodynamically, CO 2 is very low and can therefore be reduced back to useful products.
Systematische Untersuchungen der elektrochemischen Reduktion von Kohlenstoffdioxid sind noch ein relativ junges Entwicklungsfeld. Erst seit wenigen Jahren gibt es Bemühungen, ein elektrochemisches System zu entwickeln, das eine akzeptable Kohlenstoffdioxidmenge reduzieren kann. Forschungen im Labormaßstab haben gezeigt, dass zur Elektrolyse von Kohlenstoffdioxid bevorzugt Metalle als Katalysatoren einzusetzen sind. Aus der Veröffentlichung Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes von Y. Hori, veröffentlicht in:
In Tabelle 1 sind Faraday Effizienzen FE (in [%]) von Produkten angegeben, die bei der Kohlenstoffdioxid-Reduktion an verschiedenen Metallelektroden entstehen. Die angegebenen Werte gelten hierbei für eine 0,1 M Kaliumhydrogencarbonatlösung als Elektrolyt. Table 1 shows Faraday efficiencies FE (in [%]) of products resulting from carbon dioxide reduction on various metal electrodes. The values given here apply to a 0.1 M potassium bicarbonate solution as the electrolyte.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich bietet die elektrochemische Reduktion von CO2 an Festkörperelektroden in wässrigen Elektrolytlösungen eine Vielzahl an Produktmöglichkeiten.As can be seen from Table 1, the electrochemical reduction of CO 2 to solid-state electrodes in aqueous electrolyte solutions offers a variety of product options.
Derzeit wird die Elektrifizierung der chemischen Industrie diskutiert. Dies bedeutet, dass chemische Grundstoffe oder Treibstoffe bevorzugt aus CO2 und/oder CO und/oder H2O unter Zuführung überschüssiger elektrischer Energie bevorzugt aus regenerativen Quellen hergestellt werden sollen. In der Einführungsphase einer solchen Technologie wird angestrebt, dass der ökonomische Wert eines Stoffes deutlich größer ist als sein Heizwert bzw. Brennwert, um früh eine Wirtschaftlichkeit zu erzielen.Currently, the electrification of the chemical industry is discussed. This means that chemical precursors or fuels are preferably to be prepared from CO 2 and / or CO and / or H 2 O while supplying excess electrical energy, preferably from regenerative sources. In the introductory phase of such a technology, the aim is that the economic value of a substance is significantly greater than its calorific value or fuel value in order to achieve economic efficiency at an early stage.
Um in der CO2-Elektrolyse akzeptable Umsatzraten erreichen zu können, wird bevorzugt eine ausreichende Verfügbarkeit von CO2 an den katalytisch aktiven Zentren der Kathode sichergestellt. Bei Stromdichten über ∼50mAcm-2 ist diese Versorgung über die Löslichkeit von CO2 in einem Elektrolyten jedoch schwierig.To be able to achieve acceptable conversion rates in the CO 2 electrolysis, it is preferred to ensure sufficient availability of CO 2 at the catalytically active centers of the cathode. At current densities above ~50mAcm -2, however , this supply via the solubility of CO 2 in an electrolyte is difficult.
Daher wird bei hohen Stromdichten üblicherweise das CO2 direkt als Gas zur Verfügung gestellt. Hierbei ist eine sogenannte Dreiphasenzone vorteilhaft, an der das Reaktionsgas CO2, die katalytisch aktive Elektrode und der Elektrolyt zur Verfügung stehen. Hierfür können poröse Elektroden, sogenannte Gasdiffusionselektroden, verwendet, werden, welche auf verschiedene Weise realisiert werden können.Therefore, at high current densities usually the CO 2 is provided directly as gas. Here, a so-called three-phase zone is advantageous, at which the reaction gas CO 2 , the catalytically active electrode and the electrolyte are available. For this purpose, porous electrodes, so-called gas diffusion electrodes, can be used, which can be realized in various ways.
Beispielsweise können sie als mit Polymeren gebundene, elektrisch leitfähige Katalysatorpartikel, beispielsweise als extrudierter oder kalandrierter Film, vorliegen, was einer Voll-Katalysator-Gasdiffusionselektrode entspricht, oder als poröse, katalytisch inaktive, aber leitfähige Elektrode, z.B. in Form von Kohlefaser-Gasdiffusions-Schichten, die mit einer geringen Menge aktiver Katalysatorpartikel imprägniert sind.For example, they may be present as polymer bound, electrically conductive catalyst particles, for example as extruded or calendered film, which corresponds to a full catalyst gas diffusion electrode, or as a porous, catalytically inactive but conductive electrode, e.g. in the form of carbon fiber gas diffusion layers impregnated with a small amount of active catalyst particles.
Als Alternative ist es auch möglich, einen Katalysator an einen Fest-Elektrolyten anzubinden, was auch als Catalyst-Coated-Membrane bezeichnet werden kann. Auch dabei kann sich eine Dreiphasen-Zone zwischen dem Katalysator, dem Festelektrolyten und dem CO2 ausbilden.Alternatively, it is also possible to attach a catalyst to a solid electrolyte, which may also be referred to as a catalyst-coated membrane. Here too, a three-phase zone can form between the catalyst, the solid electrolyte and the CO 2 .
Mit entsprechenden Strukturen ist eine elektrochemische Reduktion von CO2 zu chemisch verwertbaren Produkten möglich.With corresponding structures, an electrochemical reduction of CO 2 to chemically usable products is possible.
So ist beispielsweise in der
Darüber hinaus sind auch Säuren im Anodenraum durchaus gängig, wie beispielsweise in
Es besteht jedoch Bedarf an einem einfachen und effektiven elektrolytischen Verfahren zur Reduktion von CO2 unter Verwendung hoher Stromdichten bei gleichzeitiger Vermeidung der Bildung von CO2 an der Anode, beispielsweise durch Protolyse von carbonathaltigen Elektrolyten in wässrigen Elektrolyten. Elektrolyse-Zellen, bei denen die CO2/O2 Mischungen an der Anode entstehen, sind beispielsweise aus der
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die Erfinder haben grundlegende Überlegungen zur CO2-Elektrolyse unternommen, um das obige Problem zu lösen, und haben dabei herausgefunden, dass entgegen den bisherigen Erwartungen bei genügend hohen Stromdichten CO2 unter Anwesenheit einer flüssigen und/oder gelösten Säure an einer dem Kathodenraum zugewandten Membran, welche einen Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter enthält, beispielsweise in einem Salzbrückenraum und/oder im Anolyten, effektiv CO2 zu wirtschaftlich weiterverwendbaren Produkten umgesetzt werden kann und die Bildung von Wasserstoff überraschenderweise unterdrückt werden kann.The inventors have made basic considerations for CO 2 electrolysis to solve the above problem, and have found that, contrary to previous expectations, CO 2 is present at sufficiently high current densities in the presence of a liquid and / or dissolved acid on a membrane facing the cathode compartment containing an anion exchanger and / or anion transporter, for example in a salt bridge space and / or in the anolyte, CO 2 can be effectively converted to economically reusable products and the formation of hydrogen can be surprisingly suppressed.
Nachfolgend werden die Ergebnisse dieser grundlegenden Überlegungen zur Elektrolyse von CO2 weiter ausgeführt, welche die Grundlage der vorliegenden Erfindung bilden. Die nachfolgenden Erläuterungen sind beispielsweise für die obigen Systeme gültig. Aufgrund dieser Überlegungen lässt sich ein Ladungstransport-Modell für die CO2-Elektrolyse erstellen, wie folgt:The results of these basic considerations for the electrolysis of CO 2 , which form the basis of the present invention, are further elaborated below. The following explanations are valid for example for the above systems. Based on these considerations, a charge transport model for CO 2 electrolysis can be constructed as follows:
Überlegungen für Salzelektrolyten Considerations for salt electrolytes
Die kathodische Reduktion von CO2 zu CO unter Anwesenheit von Wasser kann in einfachster Näherung durch die folgende Gleichung dargestellt werden, wobei analoge Gleichungen auch bei der Herstellung von Kohlenwasserstoffen aus CO2 entsprechend aufgeführt werden können:
Da in der 3-Phasen-Zone üblicherweise CO2 im Überschuss zur Verfügung steht (wobei es auch im Unterschuss vorhanden sein kann, da man das CO2 keinem bestimmten Katalysatorzentrum zuordnen kann), können die gebildeten OH- Ionen mit diesem zu HCO3 - Ionen abreagieren.
Es ergibt sich:
Diese Reaktion hat weitreichende Konsequenzen für den Ladungstransport innerhalb der porösen Elektrode.This reaction has far-reaching consequences for charge transport within the porous electrode.
Da HCO3 - im Gegensatz zu OH- nicht zum Ladungstransport über den Grotthuß-Mechanismus fähig ist, ist seine molare Leitfähigkeit um ein Vielfaches geringer.Since HCO 3 - unlike OH - is not capable of charge transport via the Grotthuß mechanism, its molar conductivity is many times lower.
Des Weiteren zu beachten ist, dass die Löslichkeit von Alkalimetall-Hydrogencarbonaten MHCO3 (M = Li, Na, K, Rb, Cs) geringer ist als die der Hydroxide der Alkalimetalle, wodurch es schneller zu unerwünschten Auskristallisation von Salzen kommen kann.It should also be noted that the solubility of alkali metal hydrogencarbonates MHCO 3 (M = Li, Na, K, Rb, Cs) is lower than that of the hydroxides of the alkali metals, which can lead to unwanted crystallization of salts faster.
In der CO2-Elektolyse werden jedoch als Elektrolyten häufig Lösungen von Alkalimetallsalzen verwendet. Die molare Leitfähigkeit von HCO3 - ist nur etwa halb so groß wie die der Alkalimetall-Ionen (im Folgenden M+), weshalb in einem Bereich der Elektrode, in dem sowohl die M+ Ionen des Elektrolyten als auch die an der Kathode generierten HCO3 - Ionen präsent sind, der Großteil des Ladungstransport von den M+ Ionen getragen wird.However, solutions of alkali metal salts are frequently used as electrolytes in CO 2 -electrolysis. The molar conductivity of HCO 3 - is only about half that of the alkali metal ions (hereinafter M + ), which is why in a region of the electrode in which both the M + ions of the electrolyte and the HCO generated at the cathode 3 - ions are present, most of the charge transport is carried by the M + ions.
Aufgrund Ihrer geringen Leitfähigkeit treten in diesem Fall die kathodisch erzeugten HCO3 - Ionen nicht aus der Elektrode in den Elektrolyten aus. Stattdessen dringen die mobileren M+ Ionen in die Elektrode ein und bilden mit den HCO3 - Ionen ein Salz. Dieses Salz kann dann an der dem Elektrolyten abgewandte Seite der Elektrode als Lösung bzw. Permeat austreten. Wird jedoch nicht auf eine effiziente Abfuhr dieser MHCO3 Lösung geachtet, kann es auch zur Kristallisation dieser Salze kommen.Because of their low conductivity, the cathodically produced HCO 3 occur in this case - ions not leak from the electrode into the electrolyte. Instead penetrate the more mobile M + ions in the electrode and form with the HCO 3 - ion salt. This salt can then emerge as a solution or permeate at the side of the electrode facing away from the electrolyte. However, if no attention is paid to efficient removal of this MHCO 3 solution, crystallization of these salts may also occur.
Über einen längeren Zeitraum führt dieses Phänomen zu einer zunehmenden Durchdringung der Elektrode mit der ElektrolytLösung. Hierdurch können Poren irreversibel geflutet werden, was zum Zusammenbruch der CO2 Versorgung der Elektrode und damit zu deren Versagen führen kann.Over a longer period of time, this phenomenon leads to increasing penetration of the electrode with the electrolyte solution. As a result, pores can be irreversibly flooded, which can lead to the collapse of the CO 2 supply to the electrode and thus to their failure.
Überlegungen für FestelektrolytenConsiderations for solid electrolytes
Festelektrolyte sind in Elektrolysezellen beispielsweise Membranen aus mit geladen Funktionalitäten modifizierten Polymeren. Insbesondere die Anwendbarkeit von AnionenAustauscher-Membranen (AEM, anion exchange membranes) für die CO2 Elektrolyse ist aus der Literatur bekannt, beispielsweise aus der
In einer AEM sind die kationischen funktionellen Gruppen ortsfest. In Abwesenheit anderer Ionen kann der Ladungstransport in diesem Fall daher üblicherweise nur durch HCO3 - Ionen erfolgen. Dieses Verfahren kann aber insbesondere nur angewandt werden, wenn auch die Anode direkt an die Membran angebunden ist.In an AEM the cationic functional groups are stationary. In the absence of other ions of the charge transport can only HCO 3 in this case therefore usually - done ions. However, this method can be used in particular only if the anode is connected directly to the membrane.
Die Zufuhr der HCO3 - Ionen zur Anode ist allerdings nicht wünschenswert, da dort das gebundene CO2 durch Neutralisation wieder freigesetzt wird.
Dabei vermischt es sich mit dem an der Anode gebildeten Sauerstoff, und es entsteht ein schwer aufarbeitbares bzw. nahezu unbrauchbares CO2/O2 Gemisch mit einem CO2-Anteil von bis zu 80 mol%. Hierdurch können für den CO Fall bis zu 67 mol% des einsetzten CO2's ungenutzt verloren gehen.It mixes with the oxygen formed at the anode, and there is a difficult to work up or almost unusable CO 2 / O 2 mixture with a CO 2 content of up to 80 mol%. As a result, up to 67 mol% of the CO 2 used can be lost unused for the CO case.
Wie oben beschrieben gelten die zuvor gemachten Überlegungen auch in ähnlicher Weise für andere Produkte der CO2 Reduktion. Bei Produkten, die sich von CO2 durch Reduktion mit mehr als zwei Elektronen ableiten, kann beispielsweise der Anteil des einsetzten CO2's, der in Hydrogencarbonat umgewandelt wird, entsprechend höher ausfallen. Beispielsweise gilt für Methan:
In diesem Fall können beispielsweise bis zu 89 mol% im Falle von CH4 oder 86 mol% im Falle von C2H4 des eingesetzten CO2's über die Anode verloren gehen.In this case, for example, up to 89 mol% in the case of CH 4 or 86 mol% in the case of C 2 H 4 of the CO 2 used can be lost via the anode.
Soll andererseits ein Kathoden-AEM-Verbund an eine gegen HCO3 - abgeschlossene anodische Halbzelle gekoppelt werden, ist wiederum ein Elektrolyt erforderlich. Die zuvor genannte Bedingung der Abwesenheit anderer Ionen ist dann nicht mehr gegeben, und der der Ladungstransport wird wieder auch von anderen Ionen als den HCO3 - Ionen, beispielsweise insbesondere M+ Ionen, getragen. Zwar können die ortsfesten kationischen funktionellen Gruppen der AEM die M+ Ionen abstoßen, allerdings steht M+ Ionen in der AEM mit den HCO3 - Ionen ein Gegen-Ion zur Verfügung.On the other hand, if a cathode AEM composite is to be coupled to an anodic half cell terminated against HCO 3 , an electrolyte is again required. The above-mentioned condition of absence of other ions is no longer given, and the charge transport is again of ions other than the HCO 3 - ion worn, for example, in particular M + ions. Although the fixed cationic functional groups of the AEM can repel the M + ions, however, M + ions in the AEM with the HCO 3 - ions, a counter-ion available.
Daher kann auch im Inneren einer AEM ein formales Doppelsalzsystem existieren, bei dem beispielsweise der anionische Teil vollständig von HCO3 - eingenommen wird, während der kationische Teil teils durch M+ Ionen und teils durch die kationischen funktionellen Gruppen des Polymers eingenommen wird.Therefore, even inside an AEM, a formal double salt system may exist in which, for example, the anionic part is completely occupied by HCO 3 - , while the cationic part is occupied partly by M + ions and partly by the cationic functional groups of the polymer.
Somit kann das Eindringen von M+ bei Anwesenheit eines Salzelektrolyten auch durch eine AEM zwar eingeschränkt, aber nicht vollständig verhindert werden. Bei entsprechenden Laborversuchen - wie in Vergleichsbeispiel 1 unten angegeben - konnte eine Kristallisation von MHCO3 an der Elektrodenrückseite (Gasseite) beobachtet werden. Das Phänomen ist allerdings gegenüber einem direkten Kontakt zwischen Kathode und Elektrolyt stark abgeschwächt. Der Anteil von HCO3 - am Ladungstransport kann zwar deutlich erhöht werden im Vergleich zu einer Betriebsweise ohne AEM, und kann z.B. auf ∼50 mol% bestimmt werden, z.B. durch gaschromatografische CO2-Messung, ist jedoch immer noch begrenzt. Die Ursache hierfür ist die geringe Mobilität von Hydrogencarbonat-Anionen, wie oben angegeben und aus der folgenden Tabelle 2 hervorgeht, welche aus Current Separations 18:3 (1999), Conductance Measurements, Part 1:
Überlegungen für saure Elektrolyten:Considerations for acidic electrolytes:
Die CO2 Elektrolyse in wässrigen Elektrolyten dürfte thermodynamisch eigentlich nicht möglich sein, da die Zersetzungsspannung für die Reaktion
Der Prozess ist dennoch unter geeigneten Bedingungen möglich, da einerseits geeignete Katalysatoren eine hohe Überspannung für die Wasserzersetzung aufweisen, und anderseits können sich bei höheren Stromdichten typischer Weise hohe lokale pH-Werte in der unmittelbaren Nähe der Elektrode ausbilden. Für letzteren Effekt ist üblicherweise ein Diffusionsgradient erforderlich, bei dem die an der Elektrode gebildeten OH-’ CO3 2-und HCO3 - Ionen die Gegenionen von M+ Ionen aus dem Elektrolyten verdrängen. Zudem sollte die M+-Konzentration in unmittelbarer Nähe der Elektrode durch Attraktion der M+ Ionen durch das elektrische Feld erhöht sein. Hierdurch kann das Wasser-Reduktions-Potential absinken, was die Wasserstoffentwicklung unterdrückt. Im Gegensatz dazu ist der initiale Schritt der CO2 Reduktion nicht pH-abhängig, wodurch diese länger dominiert.Nevertheless, the process is possible under suitable conditions because, on the one hand, suitable catalysts have a high overpotential for water decomposition, and on the other hand, at higher current densities, high local pH values can typically form in the immediate vicinity of the electrode. For the latter effect, a diffusion gradient is usually required, in which the OH - 'CO 3 2 - and HCO 3 - ions formed at the electrode displace the counterions of M + ions from the electrolyte. In addition, the M + concentration in the immediate vicinity of the electrode should be increased by attraction of the M + ions by the electric field. As a result, the water reduction potential can drop, which suppresses the evolution of hydrogen. In contrast, the initial step of CO 2 reduction is not pH dependent, which makes it more dominant.
Werden dem Elektrolyten allerdings Säuren zugesetzt, kann sich dieser Gradient nicht in ausreichender Stärke ausbilden. In angesäuerten Elektrolyten werden daher üblicherweise nur H2/CO Mischungen mit großem H2-Überschuss erhalten. In reinen Säureelektrolyten findet die CO2 Reduktion gewöhnlich nur noch im Spurenbereich statt.However, if acids are added to the electrolyte, this gradient can not develop in sufficient strength. In acidified electrolytes therefore usually only H 2 / CO mixtures are obtained with a large H 2 excess. In pure acid electrolytes the CO 2 reduction usually takes place only in the trace range.
Es sei allerdings an dieser Stelle erwähnt, dass der zuvor beschriebene Durchtritt von Elektrolyten durch die Elektrode beim Einsatz reiner Säureelektrolyten nicht zu beobachten ist, wie auch aus dem nachfolgenden Vergleichsbeispiel 2 ersichtlich wird. Der Elektrolytdurchtritt wird demnach wie zuvor diskutiert durch das Eindringen von Kationen in die Elektrode verursacht. Da im vorliegenden Vergleichsbeispiel 2 sowie im vorliegenden Ausführungsbeispiel keine Kationen präsent sind, wie nachfolgend weiter im Detail beschrieben, findet auch kein Elektrolytdurchtritt mehr statt. Die zuvor diskutierten Modelle können hierdurch bestätigt werden.It should be mentioned at this point, however, that the above-described passage of electrolytes through the electrode when using pure acid electrolytes is not observed, as well as from the Comparative Example 2 will be apparent. The electrolyte passage is thus caused as previously discussed by the penetration of cations into the electrode. Since no cations are present in the present comparative example 2 and in the present exemplary embodiment, as described in more detail below, no more electrolyte penetration takes place. The previously discussed models can be confirmed by this.
Überlegungen für eine Kombination aus einer AEM und reinem SäureelektrolytenConsiderations for a combination of an AEM and pure acid electrolyte
Eine gänzlich andere Situation ergibt sich, wenn zwischen einen reinen Säureelektrolyten (z.B. H2SO4, wie im Ausführungsbeispiel 1) eine AEM eingeführt wird. In diesem Fall können beispielsweise auch in einem reinen Säureelektrolyten bei hohen Stromdichten > 100mAcm-2 sehr gute Selektivitäten für CO >95% erzielt werden.An entirely different situation arises when an AEM is introduced between a pure acid electrolyte (eg H 2 SO 4 , as in the embodiment 1). In this case, for example, very good selectivities for CO> 95% can also be achieved in a pure acid electrolyte at high current densities> 100mAcm -2 .
Der Grund hierfür liegt in einer Besonderheit des Carbonat-Säure-Base-Systems. Im Gegensatz zu anderen Systemen wie dem Sulfat System existiert im Carbonat-Gleichgewicht keine neutrale Säure.
Folglich kann HCO3 - nicht als Gegen-Ion für die einzigen im Elektrolyten vorhanden Kationen „H+“ fungieren. Eine Doppelsalz-Situation wie mit Alkalimetall-Salz-Elektrolyten kann also nicht existieren. Eine Präsenz von „H+“ Ionen in der AEM ist daher nur dann möglich, wenn auch die Säure-Anionen (z.B. SO4 2-) des Elektrolyten in der AEM vorhanden sind. Werden diese durch einen ausreichend hohen Ionen-Strom aus der AEM verdrängt, kann sich in den Kathoden-AEM-Verbund trotz eines Säure-Elektrolyten ein hoher pH-Wert einstellen. Der einzige weitere Ladungstransportweg ist die Leitung von OH- über den Grotthuß-Mechanismus durch die in H2O gequollene Membran, bzw. ein hüpfender Transport von HCO3 - von lokalisiertem polymergebundenem Kation zu lokalisiertem Kation.Consequently, HCO 3 - can not act as a counter ion for the only cations present in the electrolyte "H + ". A double salt situation as with alkali metal salt electrolytes can not exist. A presence of "H + " ions in the AEM is therefore only possible if the acid anions (eg SO 4 2- ) of the electrolyte are present in the AEM. If these are displaced from the AEM by a sufficiently high ion current, a high pH value can be established in the cathode AEM composite despite an acid electrolyte. The only other charge transport pathway is the conduction of OH - via the Grotthuß mechanism by the swollen in H 2 O membrane, or a hopping transport of HCO 3 - from localized polymer-bound cation to localized cation.
Da, wie bereits erläutert, zunächst die Säure-Anionen aus der AEM verdrängt werden müssen, ist zur Ausnutzung dieses Effekts eine Mindeststromdichte erforderlich. Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel lag diese bei ca. 50mAcm-2; unterhalb dieser Stromdichte wurde fast ausschließlich H2 Entwicklung beobachtet. Bei höheren Stromdichten lag die Selektivität für CO bei > 90% und nahm stetig mit steigender Stromdichte zu, wie nachfolgend auch im Ausführungsbeispiel gezeigt ist.Since, as already explained, first the acid anions must be displaced from the AEM, a minimum current density is required to exploit this effect. In the following embodiment, this was about 50mAcm -2 ; below this current density almost exclusively H 2 evolution was observed. At higher current densities, the selectivity for CO was> 90% and increased steadily with increasing current density, as shown below in the embodiment.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Elektrolyse von CO2, wobei eine Elektrolysezelle umfassend
- - einen Kathodenraum umfassend eine Kathode;
- - eine erste Ionenaustauschermembran, welche einen Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter enthält und welche an den Kathodenraum angrenzt, wobei die Kathode die erste Ionenaustauschermembran direkt kontaktiert, wobei der Kontakt gemäß bestimmten Ausführungsformen zudem ionischer Natur ist;
- - einen Anodenraum umfassend eine Anode;
- - eine erste Separator-Membran; und
- - einen Salzbrückenraum, wobei der Salzbrückenraum zwischen der ersten Ionenaustauschermembran und der ersten Separator-Membran angeordnet ist,
- - a cathode compartment comprising a cathode;
- a first ion exchange membrane containing an anion exchanger and / or anion transporter adjacent to the cathode compartment, wherein the cathode directly contacts the first ion exchange membrane, wherein the contact according to certain embodiments is also ionic in nature;
- an anode compartment comprising an anode;
- a first separator membrane; and
- a salt bridge space, wherein the salt bridge space is arranged between the first ion exchange membrane and the first separator membrane,
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zur Elektrolyse von CO2, wobei eine Elektrolysezelle umfassend
- - einen Kathodenraum umfassend eine Kathode;
- - eine erste Ionenaustauschermembran, welche einen Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter enthält und welche an den Kathodenraum angrenzt, wobei die Kathode die erste Ionenaustauschermembran direkt kontaktiert, wobei der Kontakt gemäß bestimmten Ausführungsformen zudem ionischer Natur ist; und
- - einen Anodenraum umfassend eine Anode, wobei der Anodenraum an die erste Ionenaustauschermembran angrenzt; verwendet wird, wobei CO2 an der Kathode reduziert wird, wobei der Anodenraum eine flüssige und/oder gelöste Säure aufweist.
- a cathode compartment comprising a cathode;
- a first ion exchange membrane containing an anion exchanger and / or anion transporter adjacent to the cathode compartment, wherein the cathode directly contacts the first ion exchange membrane, wherein the contact according to certain embodiments is also ionic in nature; and
- an anode compartment comprising an anode, wherein the anode compartment adjoins the first ion exchange membrane; is used, wherein CO 2 is reduced at the cathode, wherein the anode compartment comprises a liquid and / or dissolved acid.
Darüber hinaus ist eine Elektrolysezelle offenbart, umfassend
- - einen Kathodenraum umfassend eine Kathode;
- - eine erste Ionenaustauschermembran, welche einen Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter enthält und welche an den Kathodenraum angrenzt, wobei die Kathode die erste Ionenaustauschermembran direkt kontaktiert;
- - einen Anodenraum umfassend eine Anode; und
- - ein Diaphragma, welches an den Anodenraum angrenzt; weiter umfassend einen Salzbrückenraum, wobei der Salzbrückenraum zwischen der erste Ionenaustauschermembran und dem Diaphragma angeordnet ist.
- a cathode compartment comprising a cathode;
- a first ion exchange membrane containing an anion exchanger and / or anion transporter adjacent to the cathode compartment, the cathode directly contacting the first ion exchange membrane;
- an anode compartment comprising an anode; and
- a diaphragm adjacent to the anode compartment; further comprising a salt bridge space, wherein the salt bridge space between the first ion exchange membrane and the diaphragm is arranged.
Weiterhin ist eine Elektrolyseanlage, umfassend die erfindungsgemäße Elektrolysezelle, sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle oder der erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage zur Elektrolyse von CO2 offenbart.Furthermore, an electrolysis plant, comprising the electrolysis cell according to the invention, as well as the use of the electrolytic cell according to the invention or the electrolysis plant according to the invention for the electrolysis of CO 2 is disclosed.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen und der detaillierten Beschreibung zu entnehmen.Further aspects of the present invention can be found in the dependent claims and the detailed description.
Figurenlistelist of figures
Die beiliegenden Zeichnungen sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und ein weiteres Verständnis dieser vermitteln. Im Zusammenhang mit der Beschreibung dienen sie der Erklärung von Konzepten und Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten sind in den Figuren der Zeichnungen, sofern nichts anderes ausgeführt ist, jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 und2 zeigen eine graphische Repräsentation der kathodischen Halbzelle der zuvor beschriebenen Transportmodelle von Ionen von Salzen und Säuren in einer AEM, welche an einer Kathode anliegt. -
3 zeigt schematisch ein Beispiel einer Elektrolyseanlage mit einer Elektrolysezelle, wie sie in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung kommt. -
4 und5 zeigen schematisch weitere Beispiele von Elektrolysezellen, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. - In
6 und7 ist schematisch eine graphische Repräsentation der unterschiedlichen CO2-Freisetzung bei einer Verwendung eines Salzelektrolyten (6 ) und eines Säureelektrolyten (7 ) dargestellt. -
8 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage mit einer erfindungsgemäßen AEM-Diaphragma-Zelle, in der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. -
9 ist eine schematische Darstellung einer AEM-Bipolar-Doppelmembran-Zelle zu entnehmen, in der ebenfalls das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. -
10 zeigt schematisch den Versuchsaufbauim erfindungsgemäßen Beispiel 1. Der 11 sind Versuchsergebnisse des erfindungsgemäßen Beispiels 1 zu entnehmen, wobei dort eine Auftragung der Faraday-Effizienz gegen die angelegte Stromdichte erfolgt ist.-
12 zeigt schematisch den Versuchsaufbauim vorliegenden Vergleichsbeispiel 1,sowie 13 die damit erhaltenen Versuchsergebnisse, wobei wiederum eine Auftragung der Faraday-Effizienz gegen die angelegte Stromdichte erfolgt ist. - In
14 sind die Versuchsergebnisse des erfindungsgemäßen Beispiels 1 (durchgezogene Linien) denen des Vergleichsbeispiels 1 (gepunktete Linien) zum Vergleich gegenübergestellt. -
15 zeigt eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus inVergleichsbeispiel 2, und16 die damit erhaltenen Versuchsergebnisse, wobei wiederum eine Auftragung der Faraday-Effizienz gegen die angelegte Stromdichte erfolgt ist. - In
17 sind die Versuchsergebnisse des erfindungsgemäßen Beispiels 1 (durchgezogene Linien) denen des Vergleichsbeispiels 2 (gepunktete Linien) zum Vergleich gegenübergestellt. - Darüber hinaus ist in
18 ein Vergleich der in Vergleichsbeispiel 2 (durchgezogen; w/o AEM) und Beispiel 1 (gestrichelt; w/ AEM) bei einerStromdichte von 150 mAcm-2 erhaltenen Gaschromatogramme gezeigt. -
19 und 20 zeigen jeweils schematisch den Versuchsaufbau inReferenzbeispielen 1 und 2, und21 und22 die dabei erhaltenen Versuchsergebnisse.
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1 and2 show a graphical representation of the cathodic half-cell of the previously described transport models of ions of salts and acids in an AEM, which is applied to a cathode. -
3 shows schematically an example of an electrolysis plant with an electrolytic cell, as used in a method according to the invention for use. -
4 and5 schematically show further examples of electrolysis cells, with which the inventive method can be carried out. - In
6 and7 is a schematic representation of the different CO 2 release when using a salt electrolyte (6 ) and an acid electrolyte (7 ). -
8th schematically shows an electrolysis plant according to the invention with an AEM diaphragm cell according to the invention, in which the inventive method can be carried out. -
9 is a schematic representation of an AEM bipolar double-membrane cell in which also the inventive method can be carried out. -
10 schematically shows the experimental setup in Example 1 of the invention. - Of the
11 are test results of Example 1 of the invention, where there is a plot of the Faraday efficiency against the applied current density. -
12 schematically shows the experimental set-up in the present comparative example 1, and 13 the test results obtained therewith, again with a plot of Faraday efficiency against the applied current density. - In
14 the experimental results of Inventive Example 1 (solid lines) are compared with those of Comparative Example 1 (dotted lines) for comparison. -
15 shows a schematic representation of the experimental setup in Comparative Example 2, and16 the test results obtained therewith, again with a plot of the Faraday efficiency against the applied current density. - In
17 the experimental results of Inventive Example 1 (solid lines) are compared with those of Comparative Example 2 (dotted lines) for comparison. - In addition, in
18 a comparison of the gas chromatograms obtained in Comparative Example 2 (solid, w / o AEM) and Example 1 (dashed, w / AEM) at a current density of 150 mAcm -2 is shown. -
19 and20 each show schematically the experimental setup in Reference Examples 1 and 2, and21 and22 the test results obtained.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Definitionendefinitions
So nicht anderweitig definiert haben hierin verwendete technische und wissenschaftliche Ausdrücke dieselbe Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Fachgebiet der Erfindung gemeinhin verstanden wird.Unless defined otherwise, technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art.
Gasdiffusionselektroden (GDE) allgemein sind Elektroden, in denen flüssige, feste und gasförmige Phasen vorliegen, und wo insbesondere ein leitender Katalysator eine elektrochemische Reaktion zwischen der flüssigen und der gasförmige Phase katalysiert.Gas diffusion electrodes (GDE) in general are electrodes in which liquid, solid and gaseous phases are present, and where in particular a conductive catalyst catalyses an electrochemical reaction between the liquid and the gaseous phase.
Die Ausführung kann unterschiedlicher Natur sein, beispielsweise als poröser „Vollmaterialkatalysator“ mit ggf. Hilfsschichten zur Anpassung der Hydrophobizität, wobei dann beispielsweise ein Membran-GDE-Verbund, z.B. AEM-GDE Verbund, hergestellt werden kann; als leitfähiger poröser Träger, auf den ein Katalysator in dünner Schicht aufgebracht werden kann, wobei dann ebenfalls wieder ein Membran-GDE-Verbund, z.B. AEM-GDE Verbund, hergestellt werden kann; oder als im Verbund poröser Katalysator, der ggf. mit Additiv direkt auf einer Membran, z.B. einer AEM, aufgebracht werden kann und dann im Verbund eine CCM bilden kann.The design may be of a different nature, for example, as a porous "bulk catalyst" with optional adjuvants to adjust the hydrophobicity, then, for example, a membrane-GDE composite, e.g. AEM-GDE composite, can be produced; as a conductive porous support to which a catalyst can be applied in a thin layer, in which case again a membrane-GDE composite, e.g. AEM-GDE composite, can be produced; or as a composite porous catalyst, optionally with additive directly on a membrane, e.g. AEM, can be applied and then form a CCM in the composite.
Als hydrophob wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung wasserabweisend verstanden. Hydrophobe Poren und/oder Kanäle sind erfindungsgemäß also solche, welche Wasser abweisen. In the context of the present invention, hydrophobic is understood as meaning water-repellent. Hydrophobic pores and / or channels according to the invention are therefore those which repel water.
Insbesondere sind hydrophoben Eigenschaften erfindungsgemäß mit Stoffen bzw. Molekülen mit unpolaren Gruppen assoziiert.In particular, hydrophobic properties are associated according to the invention with substances or molecules with nonpolar groups.
Als hydrophil wird im Gegensatz hierzu die Fähigkeit zur Wechselwirkung mit Wasser und anderen polaren Stoffen verstanden.In contrast, hydrophilic is understood as the ability to interact with water and other polar substances.
In der Anmeldung beziehen sich Mengenangaben auf Gew.%, soweit es nicht anderweitig angegeben oder aus dem Zusammenhang ersichtlich ist.In the application quantities are by weight, unless otherwise stated or obvious from the context.
Der Normaldruck ist 101325 Pa = 1,01325 bar.The normal pressure is 101325 Pa = 1.01325 bar.
Elektro-Osmose:Electro-osmosis:
Unter Elektro-Osmose versteht man ein elektrodynamisches Phänomen, bei dem auf in Lösung befindliche Teilchen mit einem positiven Zeta-Potential eine Kraft hin zur Kathode und auf alle Teilchen mit negativem Zeta-Potential eine Kraft zur Anode wirkt. Findet an den Elektroden ein Umsatz statt, d.h. fließt ein galvanischer Strom, so kommt es auch zu einem Stoffstrom der Teilchen mit positivem Zeta-Potential zur Kathode, unabhängig davon, ob die Spezies an der Umsetzung beteiligt ist oder nicht. Entsprechendes gilt für ein negatives Zeta-Potential und die Anode. Ist die Kathode porös, wird das Medium auch durch die Elektrode hindurch gepumpt. Man spricht auch von einer Elektro-Osmotischen-Pumpe.Electro-osmosis is an electrodynamic phenomenon in which a force towards the cathode acts on particles in solution with a positive zeta potential, and a force acts on the anode on all particles with a negative zeta potential. If conversion takes place at the electrodes, i. If a galvanic current flows, a stream of the particles with a positive zeta potential also flows to the cathode, irrespective of whether the species participates in the reaction or not. The same applies to a negative zeta potential and the anode. If the cathode is porous, the medium is also pumped through the electrode. It is also known as an electro-osmotic pump.
Die durch Elektro-Osmose bedingten Stoffströme können auch entgegengesetzt zu Konzentrationsgradienten fließen. Diffusionsbedingte Ströme, die die Konzentrationsgradienten ausgleichen können hierdurch überkompensiert werden. The material flows caused by electro-osmosis can also flow in opposite directions to concentration gradients. Diffusion-related currents that balance the concentration gradients can thereby be overcompensated.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Elektrolyse von CO2, wobei eine Elektrolysezelle umfassend
- - einen Kathodenraum umfassend eine Kathode;
- - eine erste Ionenaustauschermembran, welche einen Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter enthält und welche an den Kathodenraum angrenzt, wobei die Kathode die erste Ionenaustauschermembran direkt kontaktiert;
- - einen Anodenraum umfassend eine Anode;
- - eine erste Separator-Membran; und
- - einen Salzbrückenraum, wobei der Salzbrückenraum zwischen der ersten Ionenaustauschermembran und der ersten Separator-Membran angeordnet ist,
- a cathode compartment comprising a cathode;
- a first ion exchange membrane containing an anion exchanger and / or anion transporter adjacent to the cathode compartment, the cathode directly contacting the first ion exchange membrane;
- an anode compartment comprising an anode;
- a first separator membrane; and
- a salt bridge space, wherein the salt bridge space is arranged between the first ion exchange membrane and the first separator membrane,
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Elektrolyse von CO2, wobei eine Elektrolysezelle umfassend
- - einen Kathodenraum umfassend eine Kathode;
- - eine erste Ionenaustauschermembran, welche einen Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter enthält und welche an den Kathodenraum angrenzt, wobei die Kathode die erste Ionenaustauschermembran direkt kontaktiert; und
- - einen Anodenraum umfassend eine Anode, wobei der Anodenraum an die erste Ionenaustauschermembran angrenzt; verwendet wird,
- a cathode compartment comprising a cathode;
- a first ion exchange membrane containing an anion exchanger and / or anion transporter adjacent to the cathode compartment, the cathode directly contacting the first ion exchange membrane; and
- an anode compartment comprising an anode, wherein the anode compartment adjoins the first ion exchange membrane; is used,
Um die erfinderischen Gemeinsamkeiten und die Unterschiede der erfindungsgemäßen Verfahren vorab zu veranschaulichen, werden diese anhand von Figuren vorab verdeutlicht, wobei die Verfahren nicht auf die in diesen Figuren gezeigten Ausführungsformen beschränkt sind. Die einzelnen Bestandteile der in den erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Zellen wie auch der erfindungsgemäßen Zelle, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, werden dann im Anschluss im Detail offenbart.In order to illustrate in advance the inventive similarities and the differences of the methods according to the invention, these will be clarified in advance with reference to figures, wherein the methods are not limited to the embodiments shown in these figures. The individual constituents of the cells used in the method according to the invention as well as the cell according to the invention in which the method according to the invention can be carried out are then disclosed in detail below.
Beispielhafte verschiedene Betriebsmodi einer Doppelmembran-Zelle und Ein-Membran-Zelle, mit welchen die erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden können, sind in
Im Gegensatz zur Verwendung eines neutralen bis schwach basischen Salz-Elektrolyten als Salzbrücke s kann durch das vorliegende Verfahren gemäß des ersten Aspekts kathodisch erzeugtes HCO3 - an der Grenzfläche zwischen der AnionenAustauscher-Membran (AEM) und dem Salzbrücken-Elektrolyten neutralisiert werden. Hierdurch kann verhindert werden, dass HCO3 - zur Anode gelangen kann und anschließend als unbrauchbares CO2/O2 Gemisch verloren geht. Es wird somit gemäß bestimmten Ausführungsformen im Salzbrückenraum nahezu reines CO2 mit nur minimalen Spuren kathodischer Produkte freigesetzt, das direkt dem Kathodenraum
Die erfindungsgemäßen Verfahren zeichnen sich insbesondere durch die Verwendung einer flüssigen und/oder gelösten Säure im Salzbrückenraum bzw. im Anodenraum aus, speziell im Vergleich zu stark sauren Ionentauscherpackungen oder ähnlichen festen Vorrichtungen:The processes according to the invention are distinguished, in particular, by the use of a liquid and / or dissolved acid in the salt bridge space or in the anode space, especially in comparison with strongly acidic ion exchanger packages or similar solid devices:
Zunächst können im Salzbrückenraum oder Anodenraum entstehenden Gasblasen der Reaktion durch das fluide Medium ungehindert abtransportiert werden, was eine einfache Betriebsweise ermöglicht. Zudem können hierbei höhere Flussraten gewählt werden, um eine bessere Kühlung des Systems gewährleisten zu können. Darüber hinaus ist natürlich auch bei der Verwendung von flüssigen und/oder gelösten Säuren ein einfacher und preisgünstiger Betrieb möglich, insbesondere im Vergleich zu Ionentauschern. Weiterhin kann bei der Verwendung flüssiger und/oder gelöster Säuren eine Akkumulation von Metall-Verunreinigungen in Teilen der Elektrolysezelle verhindert werden, indem diese mit der flüssigen und/oder gelösten Säure ausgewaschen werden. Entsprechend ist nachfolgend auch eine externe Elektrolyt-Behandlung, z.B. mit einem Kationentauscher, möglich. Dies stellt insbesondere einen großen Unterschied zur
Der Salzbrückenraum im Verfahren des ersten Aspekts bzw. der Anodenraum im Verfahren des zweiten Aspekts sind nicht besonders beschränkt, insofern sie entsprechend an die erste Ionenaustauschermembran anschließen. Der Begriff Salzbrückenraum wird hierbei im Hinblick auf seine Funktion verwendet, als Brücke zwischen Anodenanordnung und Kathodenanordnung zu wirken und hierbei Kationen und Anionen aufzuweisen, welche jedoch vorliegend keine Salze bilden müssen. Da vorliegend eine flüssige oder gelöste Säure im Salzbrückenraum vorhanden ist, könnte man diesen auch als Säurebrückenraum oder Ionenbrückenraum benennen. Da dieser Begriff jedoch nicht geläufig ist, wird der Raum erfindungsgemäß als Salzbrückenraum bezeichnet, selbst wenn darin im klassischen Sinne kein Salz vorhanden sein muss.The salt bridge space in the method of the first aspect and the anode space in the method of the second aspect are not particularly limited insofar as they respectively connect to the first ion exchange membrane. The term salt bridge space is used here in terms of its function to act as a bridge between the anode assembly and cathode assembly and thereby have cations and anions, which, however, do not have to form salts in the present case. Since in the present case a liquid or dissolved acid is present in the salt bridge space, one could also name it as acid bridge space or ion bridge space. However, since this term is not familiar, the space is referred to as salt bridge space according to the invention, even if in the classic sense, no salt must be present.
Im Salzbrückenraum - so vorhanden - befindet sich beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Elektrolyt, der die elektrolytisch ionische Anbindung zwischen Kathodenanordnung und Anodenanordnung sicherstellen kann. Dieser Elektrolyt wird auch als Salzbrücke bezeichnet und weist eine flüssige und/oder gelöste Säure aus.In the salt bridge space, if present, an electrolyte which can ensure the electrolytic-ionic connection between the cathode arrangement and the anode arrangement is present in the method according to the invention. This electrolyte is also referred to as a salt bridge and has a liquid and / or dissolved acid.
Die Salzbrücke dient hierbei also als Elektrolyt, bevorzugt mit hoher Ionenleitfähigkeit, und dient der Herstellung des Kontaktes zwischen Anode und Kathode. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ermöglicht die Salzbrücke auch die Abführung von Verlustwärme. Zudem kann die Salzbrücke den anodisch und kathodisch generierten Ionen wie Protonen, Hydroxid- oder Hydrogencarbonationen als Reaktionsmedium dienen.The salt bridge thus serves as an electrolyte, preferably with high ionic conductivity, and serves to establish the contact between anode and cathode. According to certain embodiments, the salt bridge also allows the dissipation of waste heat. In addition, the salt bridge can serve as the reaction medium for anodically and cathodically generated ions such as proton, hydroxide or hydrogen carbonate ions.
Die technische Lehre besteht in der Konstruktion und dem Betrieb der kathodischen Halbzelle. Diese besteht aus einer gasdurchlässigen elektrisch angebundenen Katalysatorschicht, die in direktem Kontakt mit einer AEM steht, auf deren Gegenseite sich ein säurebasierter Elektrolyt, bevorzugt ohne Alkalimetallkationen, insbesondere ohne Metallkationen, anschließt. Die Säure ist hierbei nicht besonders beschränkt, insofern sie als Flüssigkeit und/oder in Lösung vorliegt, also die Säure den Salzbrückenraum und/oder den Anodenraum durchströmen kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Säure wasserlöslich und/oder liegt als Lösung in einem geeigneten Lösungsmittel wie Wasser, Alkoholen, Aldehyden, Estern, Carbonaten, etc. und/oder Mischungen, insbesondere Wasser, z.B. bidestilliertem oder vollentsalztem Wasser, vor. The technical teaching consists in the construction and operation of the cathodic half-cell. This consists of a gas-permeable electrically connected catalyst layer, which is in direct contact with an AEM, on the opposite side, an acid-based electrolyte, preferably without alkali metal cations, in particular without metal cations, connects. The acid is in this case not particularly limited insofar as it is present as a liquid and / or in solution, that is, the acid can flow through the salt bridge space and / or the anode space. According to certain embodiments, the acid is water-soluble and / or is present as a solution in a suitable solvent such as water, alcohols, aldehydes, esters, carbonates, etc. and / or mixtures, in particular water, eg bidistilled or demineralized water.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen weist eine Säure der flüssigen und/oder gelösten Säure im Salzbrückenraum einen pKs-Wert von
Der Säure-Elektrolyt zeichnet sich gemäß bestimmten Ausführungsformen durch die Abwesenheit von, mobilen Kationen - wie nachfolgend noch definiert, insbesondere Metallkationen, außer „H+“ oder „D+“ aus. Im Folgenden wird anstelle von H+ oder D+ nur auf H+ bzw. Protonen bezogen. Der Elektrolyt enthält somit bevorzugt keine mobilen Kationen außer „H+“, insbesondere keine Metall-Kationen. Im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wurde Schwefelsäure, insbesondere verdünnte Schwefelsäure (H2SO4) verwendet, welche aufgrund ihres geringen Preises und ihrer hohen Leitfähigkeit als flüssige und/oder gelöste Säure besonders bevorzugt ist. Alternativ können auch andere Säuren verwendet werden, wie oben dargelegt, wobei hier starke Säuren mit nicht oxidierenden Anionen bevorzugt sind wie H2N-SO2-OH, HClO4, H3PO4, CF3-COOH, CF3-SO2-OH, (CF3-SO2)2-NH, etc. Auch schwache Säuren können, bevorzugt in höheren Konzentrationen, z.B. größer 10 Gew.% oder 20 Gew.%, z.B. größer 30 Gew.%, bzw. an ihrem jeweiligen Leitfähigkeitsmaximum, verwendet werden, z.B. HF, HCOOH, CH3-COOH. Dies ist insbesondere dann bevorzugt, wenn diese Säure mit dem kathodischen Produkt der CO2-Elektrolyse identisch ist, z.B. im Falle von Ameisensäure oder Essigsäure. Insbesondere können die Säuren in einer Konzentration bis 30 Gew.%, bevorzugt bis 50 Gew.%, weiter bevorzugt bis 70 Gew.%, und insbesondere bis 100 Gew.%, vorliegen. Auch können, insbesondere bei nachweislicher Verträglichkeit mit den Elektrodenkatalysatoren, können auch andere Säuren verwendet werden, wie beispielsweise gelöste HCl, HBr, HI.The acid electrolyte, according to certain embodiments, is characterized by the absence of mobile cations, in particular metal cations, as defined below, except "H + " or "D + ". In the following, instead of H + or D +, only H + or protons are used. The electrolyte thus preferably contains no mobile cations other than "H + ", in particular no metal cations. Sulfuric acid, in particular dilute sulfuric acid (H 2 SO 4 ), which is particularly preferred as liquid and / or dissolved acid due to its low price and its high conductivity, was used in the exemplary embodiment according to the invention. Alternatively, other acids can be used as set forth above, with strong acids having non-oxidizing anions being preferred, such as H 2 N-SO 2 -OH, HClO 4 , H 3 PO 4 , CF 3 -COOH, CF 3 -SO 2 -OH, (CF 3 -SO 2 ) 2 -NH, etc. Even weak acids may, preferably in higher concentrations, for example greater than 10 wt.% Or 20 wt.%, Eg greater than 30 wt.%, Or at their respective Conductivity maximum, can be used, for example, HF, HCOOH, CH 3 -COOH. This is particularly preferred if this acid is identical to the cathodic product of the CO 2 electrolysis, for example in the case of formic acid or acetic acid. In particular, the acids can be present in a concentration of up to 30% by weight, preferably up to 50% by weight, more preferably up to 70% by weight, and in particular up to 100% by weight. Also, especially with proven compatibility with the electrode catalysts, other acids can be used, such as dissolved HCl, HBr, HI.
Im Sinne der Erfindung wird ein üblicherweise an der ersten Ionenaustauschermembran angrenzender Salz-Elektrolyt, beispielsweise im Salzbrückenraum oder im Anodenraum, insbesondere durch eine Säure ersetzt.For the purposes of the invention, a salt electrolyte which is usually adjacent to the first ion exchange membrane, for example in the salt bridge space or in the anode space, is replaced in particular by an acid.
Bei Vorhandensein eines Salzbrückenraums besteht der Vorteil der CO2 freien Anode und der partiellen Abtrennung des CO2 Überschusses im Salzbrückenraum weiterhin, wie in
Da in der gezeigten bevorzugten Variante sowohl für den Anolyt als auch für die Salzbrücke Säuren verwendet werden, ist auch möglich diese mit identischer Zusammensetzung zu wählen. Da in diesem Fall keine osmotischen Drücke auftreten und die Freisetzung des CO2s vor der Salzbrücke stattfinden kann, insbesondere im Bereich der ersten Ionenaustauschermembran und somit abseits der ersten Separator-Membran, sofern vorhanden, wobei das HCO3 - die erste Separator-Membran gemäß bestimmten Ausführungsformen nicht mehr erreicht, ist es nicht mehr zwingend erforderlich, eine Ionen-selektive Membran als erste Separator-Membran zu verwenden, und es kann auch beispielsweise ein Diaphragma verwendet werden, um CO2 und O2 zu trennen. Entsprechend ist auch ein Diaphragma als erste Separator-Membran möglich, wie nachfolgend weiter ausgeführt, und folglich kann auch eine entsprechende erfindungsgemäße Elektrolysezelle, beispielsweise eine AEM-Diaphragma-Zelle - wie nachfolgend weiter ausgeführt - im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden.Since acids are used in the preferred variant shown both for the anolyte and for the salt bridge, it is also possible to choose these with identical composition. Since no osmotic pressures occur in this case and the release of the CO 2 s can take place in front of the salt bridge, in particular in the region of the first ion exchange membrane and thus away from the first separator membrane, if present, wherein the HCO 3 - the first separator membrane according to In certain embodiments, it is no longer absolutely necessary to use an ion-selective membrane as the first separator membrane, and, for example, a diaphragm can be used to separate CO 2 and O 2 . Accordingly, a diaphragm is also possible as the first separator membrane, as further explained below, and consequently a corresponding electrolysis cell according to the invention, for example an AEM diaphragm cell - as further described below - can also be used in the process according to the invention.
Zu beachten ist, dass es grundsätzlich möglich ist, Anolyt und Salzbrücke aus einem gemeinsamen Reservoir zu pumpen, wobei hierbei bevorzugt auf eine zuverlässige Entgasung der Elektrolyten zu achten ist, um keine Gase zu verschleppen. Dies gelingt aufgrund der niedrigen Löslichkeit von CO2 im säurebasierten Elektrolyten besonders gut. Bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Verfahren gemäß bestimmten Ausführungsformen daher bei höheren Temperaturen im Bereich von 50 - 120°C, bevorzugt zwischen 60 - 90°C durchgeführt, um die Gaslöslichkeit weiter zu minimieren.It should be noted that it is in principle possible to pump anolyte and salt bridge from a common reservoir, in which case it is preferable to ensure reliable degassing of the electrolyte is to not carry off any gases. This succeeds particularly well due to the low solubility of CO 2 in the acid-based electrolyte. According to certain embodiments, the processes according to the invention are therefore preferably carried out at elevated temperatures in the range from 50 to 120 ° C., preferably between 60 and 90 ° C., in order to further minimize gas solubility.
Entsprechende Überlegungen gelten auch analog, wenn ein Zwei-Kammer-Aufbau gemäß dem Verfahren des zweiten Aspekts verwendet wird.Corresponding considerations also apply analogously when a two-chamber structure according to the method of the second aspect is used.
In den erfindungsgemäßen Verfahren wird die Säurekonzentration bevorzugt so gewählt, dass diese um das Leitfähigkeitsmaximum der Säure liegt. Dabei kann die Leitfähigkeit, insbesondere für Schwefelsäure (3 mol/l = ∼ 30%) fast um eine Größenordnung höher sein als diejenige, die durch ähnlich hohe, aber an der Sättigungsgrenze liegenden Salzkonzentrationen (1 - 2 mol/l) erreicht werden können. Beispielhafte Leitfähigkeiten sind in Tabellen 3 und 4 für Schwefelsäure und Phosphorsäure gezeigt.
Tabelle 3: Elektrische Leitfähigkeit von Schwefelsäure (und Oleum) bei 25°C (aus Konduktometrie - Leitfähigkeitsmessung, Peter Bruttel, überarbeitet durch Dr. Christine Thielen, Dr. Anja Zimmer, Metrohm AG, Schweiz Seite 37
Tabelle 4: Elektrische Leitfähigkeit von Phosphorsäure bei 25°C (aus Konduktometrie - Leitfähigkeitsmessung, Peter Bruttel, überarbeitet durch Dr. Christine Thielen, Dr. Anja Zimmer, Metrohm AG, Schweiz, Seite 37)
Nachfolgend werden nunmehr die einzelnen Bestandteile einer in den erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Elektrolysezelle wie auch der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle weiter beschrieben und offenbart.The individual constituents of an electrolysis cell used in the process according to the invention as well as the electrolysis cell according to the invention will now be further described and disclosed.
Der Kathodenraum, der Anodenraum und der ggf. vorhandene Salzbrückenraum sind erfindungsgemäß in den Verfahren wie auch in der nachfolgend diskutierten erfindungsgemäßen Elektrolysezelle nicht besonders beschränkt hinsichtlich Form, Material, Dimensionen, etc., insofern sie die Kathode, die Anode und die erste Ionenaustauschermembran und ggf. die erste Separator-Membran aufnehmen können. Die zwei bzw. drei Räume können beispielsweise innerhalb einer gemeinsamen Zelle gebildet werden, wobei sie dann durch die erste Ionenaustauschermembran und ggf. die erste Separator-Membran entsprechend getrennt sein können. Für die einzelnen Räume können hierbei je nach durchzuführender Elektrolyse entsprechend Zuführ- und Abführeinrichtungen für Edukte und Produkte, beispielsweise in Form von Flüssigkeit, Gas, Lösung, Suspension, etc. vorgesehen sein, wobei diese ggf. auch jeweils rückgeführt werden können. Auch hierzu besteht keine Beschränkung, und die einzelnen Räume können in parallelen Strömen oder im Gegenstrom durchströmt werden. Beispielsweise kann bei einer Elektrolyse von CO2 - wobei dieses noch weiterhin CO enthalten kann, also beispielsweise mindestens 20 Vol.% CO2 enthält - dieses zur Kathode in Lösung, als Gas, etc. zugeführt werden - beispielsweise im Gegenstrom zu einem Elektrolytstrom im Salzbrückenraum beim Drei-Kammer-Aufbau oder im Anodenraum bei einem Zwei-Kammer-Aufbau (ohne erste Separator-Membran). Hierbei besteht keine Einschränkung. Entsprechende Zuführmöglichkeiten bestehen auch beim Anodenraum und werden auch im Weiteren noch genauer ausgeführt. Die jeweilige Zufuhr kann sowohl kontinuierlich wie auch diskontinuierlich, beispielsweise gepulst, etc. vorgesehen sein, wofür entsprechend Pumpen, Ventile, etc. in einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage vorgesehen sein können, wie auch Kühl- und/oder Heizeinrichtungen, um entsprechend gewünschte Reaktionen an der Anode und/oder Kathode katalysieren zu können. Die Materialien der jeweiligen Räume bzw. der Elektrolysezelle und/oder der weiteren Bestandteile der Elektrolyseanlage können hierbei auch entsprechend an gewünschte Reaktionen, Reaktanden, Produkte, Elektrolyten, etc. geeignet angepasst werden. Darüber hinaus ist natürlich auch mindestens eine Stromquelle je Elektrolysezelle umfasst. Auch weitere Vorrichtungsteile, welche in Elektrolysezellen bzw. Elektrolyseanlagen vorkommen, können in der erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage bzw. der Elektrolysezelle vorgesehen sein. Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird aus diesen Einzelzellen ein Stack aufgebaut, der 2 - 1000, bevorzugt 2 - 200 Zellen umfasst, und dessen Betriebsspannung bevorzugt im Bereich von 3 - 1500 V, besonders bevorzugt 200 - 600 V, liegt. According to the invention, the cathode space, the anode space and possibly the salt bridge space present are not particularly limited in terms of shape, material, dimensions, etc., inasmuch as they comprise the cathode, the anode and the first ion exchange membrane and, if necessary, the electrolysis cell according to the invention can accommodate the first separator membrane. The two or three spaces can be formed, for example, within a common cell, in which case they can be correspondingly separated by the first ion exchange membrane and optionally the first separator membrane. Depending on the electrolysis to be carried out, corresponding supply and discharge devices for educts and products, for example in the form of liquid, gas, solution, suspension, etc., may be provided for the individual spaces, and these may possibly also be recycled in each case. Again, there is no limitation, and the individual rooms can be flowed through in parallel streams or in countercurrent. For example, in an electrolysis of CO 2 - which may still contain CO, that is, for example, at least 20 vol.% CO 2 contains - this to the cathode in solution, as a gas, etc. are supplied - for example, in countercurrent to an electrolyte flow in the salt bridge space in the three-chamber design or in the anode chamber in a two-chamber design (without first separator membrane). There is no restriction here. Corresponding feed options also exist in the anode compartment and are also described in more detail below. The respective supply can be provided both continuously and discontinuously, for example pulsed, etc., for which pumps, valves, etc. can be provided in an electrolysis plant according to the invention, as well as cooling and / or heating devices, to correspondingly desired reactions at the anode and / or cathode catalyze. The materials of the respective rooms or the electrolysis cell and / or the other constituents of the electrolysis plant can also be appropriately adapted to desired reactions, reactants, products, electrolytes, etc. In addition, of course, at least one power source per electrolytic cell is included. Other device parts which occur in electrolysis cells or electrolysis systems can also be provided in the electrolysis plant or electrolysis cell according to the invention. According to certain embodiments, a stack comprising 2 - 1000, preferably 2 - 200 cells, and whose operating voltage is preferably in the range of 3 - 1500 V, particularly preferably 200 - 600 V, is constructed from these individual cells.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird ein im Salzbrückenraum gebildetes Eduktgas, z.B. CO2, welches auch H2 und/oder CO enthalten kann, wieder in Richtung Kathodenraum rückgeführt.According to certain embodiments, a reactant gas formed in the salt bridge space, for example CO 2 , which may also contain H 2 and / or CO, is recycled again in the direction of the cathode space.
Die Kathode ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt und kann an eine gewünschte Halbreaktion angepasst sein, beispielsweise hinsichtlich der Reaktionsprodukte, insofern sie die erste Ionenaustauschermembran direkt kontaktiert, also mit der ersten Ionenaustauschermembran an zumindest einer Stelle direkt im Kontakt steht, bevorzugt wobei die Kathode im Wesentlichen flächig mit der ersten Ionenaustauschermembran in direktem Kontakt steht. Die Kathode grenzt also zumindest in einem Bereich direkt an die erste Ionenaustauschermembran an. Eine Kathode zur Reduktion von CO2 und ggf. CO kann beispielsweise ein Metall wie Cu, Ag, Au, Zn, Pb, Sn, Bi, Pt, Pd, Ir, Os, Fe, Ni, Co, W, Mo, etc., oder Gemische und/oder Legierungen davon, bevorzugt Cu, Ag, Au, Zn, Pb, Sn, oder Gemische und/oder Legierungen davon, umfassen und/oder ein Salz davon, wobei geeignete Materialien an ein gewünschtes Produkt angepasst werden können. Der Katalysator kann somit je nach gewünschtem Produkt gewählt werden. Im Falle der Reduktion von CO2 zu CO beispielsweise basiert der Katalysator bevorzugt auf Ag, Au, Zn und/oder deren Verbindungen wie Ag2O, AgO, Au2O, Au2O3, ZnO. Zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen werden Cu oder Cu-haltige Verbindungen wie Cu2O, CuO und/oder kupferhaltige Mischoxide mit anderen Metallen, etc., bevorzugt. Für eine Herstellung von Ameisensäure sind beispielsweise Katalysatoren auf Basis von Pb und/oder Cu, insbesondere Cu, möglich. Da die Wasserstoffbildung bei hohen Stromdichten durch den Anionentransport vollständig unterdrückt werden kann, können auch Katalysatoren zur CO2-Reduktion eingesetzt werden, die keine hohe Überspannung gegenüber Wasserstoff besitzen, z.B. Reduktionskatalysatoren wie Pt, Pd, Ir, Os oder carbonylbildende Metalle wie Fe, Ni, Co, W, Mo. Damit eröffnet die beschriebene Betriebsweise in Verbindung mit dem Zelldesign neue Wege in der CO2-Reduktions-Chemie, die nicht von der Wasserstoffüberspannung abhängen.According to the invention, the cathode is not particularly limited and may be adapted to a desired half reaction, for example with respect to the reaction products insofar as it contacts the first ion exchange membrane directly, ie it is in direct contact with the first ion exchange membrane at at least one point, preferably with the surface being substantially flat is in direct contact with the first ion exchange membrane. Thus, at least in one area, the cathode directly adjoins the first ion exchange membrane. For example, a cathode such as Cu, Ag, Au, Zn, Pb, Sn, Bi, Pt, Pd, Ir, Os, Fe, Ni, Co, W, Mo, etc. may be a cathode for reducing CO 2 and possibly CO. , or mixtures and / or alloys thereof, preferably Cu, Ag, Au, Zn, Pb, Sn, or mixtures and / or alloys thereof, and / or a salt thereof, wherein suitable materials can be adapted to a desired product. The catalyst can thus be selected depending on the desired product. In the case of the reduction of CO 2 to CO, for example, the catalyst is preferably based on Ag, Au, Zn and / or their compounds such as Ag 2 O, AgO, Au 2 O, Au 2 O 3 , ZnO. For the preparation of hydrocarbons Cu or Cu-containing compounds such as Cu 2 O, CuO and / or copper-containing mixed oxides with other metals, etc., are preferred. For a production of formic acid, for example, catalysts based on Pb and / or Cu, in particular Cu, are possible. Since hydrogen formation at high current densities can be completely suppressed by the anion transport, it is also possible to use catalysts for CO 2 reduction which do not have a high overvoltage to hydrogen, for example reduction catalysts such as Pt, Pd, Ir, Os or carbonyl-forming metals such as Fe, Ni , Co, W, Mo. Thus, the mode of operation described in connection with cell design opens up new avenues in CO 2 reduction chemistry, which do not depend on hydrogen overvoltage.
Die Kathode ist die Elektrode an der die reduktive Halbreaktion stattfindet. Sie kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein und beispielsweise als Gasdiffusionselektrode, poröse Elektrode oder direkt mit dem AEM im Verbund, etc. ausgebildet sein.
Folgende Ausführungsformen sind hierbei beispielsweise möglich:
- - Gasdiffusionselektrode bzw. poröse gebundene Katalysatorstruktur, die gemäß bestimmten Ausführungsformen mittels eines geeigneten Ionomers, beispielsweise eines anionischen Ionomers, mit der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer Anionenaustauschermembran (AEM), z.B. ionenleitend und/oder mechanisch verklebt sein kann;
- - Gasdiffusionselektrode bzw. poröse gebundene Katalysatorstruktur, die gemäß bestimmten Ausführungsformen partiell in die erste Ionenaustauschermembran, beispielsweise eine AEM, gepresst sein kann;
- - poröse, leitfähige, katalytisch inaktiven Struktur, z.B. Kohlenstoff-Papier-GDL bzw. Carbon-Paper-GDL (gas diffusion layer, Gasdiffusionsschicht), Kohlenstoff-Tuch-GDL bzw. Carbon-Cloth-GDL, und/oder polymergebundener Film aus granularem Glaskohlenstoff, der mit dem Katalysator der Kathode und ggf. einem Ionomer, dass die Anbindung an die erste Ionenaustauschermembran, beispielsweise eine AEM, ermöglicht, imprägniert ist, wobei die Elektrode dann mechanisch auf die erste Ionenaustauschermembran, beispielsweise eine AEM, gepresst oder vorher mit der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer AEM, verpresst sein kann, um einen Verbund zu bilden;
- - partikulärer Katalysator, der mittels eines geeigneten Ionomers auf einen geeigneten Träger, beispielsweise einen porösen leitfähigen Träger, aufgebracht ist und gemäß bestimmten Ausführungsformen an der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer AEM, anliegen kann;
- - partikulärer Katalysator, der in die die erste Ionenaustauschermembran, beispielsweise eine AEM, eingepresst ist oder auf diese beschichtet ist und beispielsweise entsprechend leitend verbunden ist, wobei diese Struktur dann beispielsweise als sogenannte CCM (Catalyst-Caoted-Membrane; katalysator-beschichtete Membran) dann auf eine leitfähige, poröse Elektrode gepresst sein kann, wobei eine katalytische Aktivität dieser Elektrode grundsätzlich nicht erforderlich ist und beispielsweise Kohlenstoff basierte GDL's oder Gitter, beispielsweise aus Titan, verwendet werden können, wobei hierbei nicht ausgeschlossen ist, dass diese Elektrode Ionomere enthält und/oder den aktiven Katalysator enthält oder in großen Teilen daraus besteht;
- - nicht geschlossenes Flächengebilde, z.B. ein Netz oder ein Streckmetall, das beispielsweise aus einem Katalysator besteht bzw. diesen umfasst oder mit diesem beschichtet ist und gemäß bestimmten Ausführungsformen an der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer AEM, anliegt;
- - polymergebundene Vollkatalysator-Struktur aus partikulärem Katalysator, die ein Ionomer, das die Anbindung an die erste Ionenaustauschermembran, beispielsweise eine AEM, ermöglicht, enthält oder nachträglich damit imprägniert wurde, wobei die Elektrode dann mechanisch auf die erste Ionenaustauschermembran, beispielsweise eine AEM, gepresst oder vorher mit der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer AEM, verpresst sein kann, um einen Verbund zu bilden;
- - poröser, leitfähiger Träger, der mit einem geeigneten Katalysator und ggf. einem Ionomer imprägniert ist und gemäß bestimmten Ausführungsformen an der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer AEM, anliegt;
- - nicht ionenleitfähige Gasdiffussionselektrode, die nachträglich mit einem geeigneten Ionomer, beispielsweise einem anionleitfähigen Ionomer, imprägniert wurde und gemäß bestimmten Ausführungsformen an der ersten Ionenaustauschermembran, beispielsweise einer AEM, anliegt oder mit dieser, z.B. über ein Ionomer, verbunden ist.
The following embodiments are possible, for example:
- - Gas diffusion electrode or porous bonded catalyst structure, which according to certain embodiments by means of a suitable ionomer, for example an anionic ionomer, with the first ion exchange membrane, such as an anion exchange membrane (AEM), for example ion-conducting and / or mechanically bonded;
- - Gas diffusion electrode or porous bonded catalyst structure, which according to certain embodiments may be partially pressed into the first ion exchange membrane, such as an AEM;
- porous, conductive, catalytically inactive structure, eg carbon-paper-GDL or carbon-paper-GDL (gas diffusion layer), carbon-cloth-GDL or carbon-cloth-GDL, and / or polymer-bonded film of granular Glassy carbon, which is impregnated with the catalyst of the cathode and optionally an ionomer, which allows the connection to the first ion exchange membrane, for example an AEM, the electrode then mechanically pressed onto the first ion exchange membrane, for example an AEM, or beforehand with the first ion exchange membrane, for example an AEM, may be compressed to form a composite;
- particulate catalyst, which is applied by means of a suitable ionomer to a suitable support, for example a porous conductive support, and according to certain embodiments, can abut the first ion exchange membrane, for example an AEM;
- Particulate catalyst, in which the first ion exchange membrane, for example an AEM, is pressed or coated onto it and, for example, correspondingly conductively connected, this structure then being known, for example, as CCM (Catalyst-Caoted membrane, catalyst-coated membrane) may be pressed onto a conductive, porous electrode, wherein a catalytic activity of this electrode is basically not required and, for example, carbon-based GDL's or gratings, for example made of titanium, can be used, whereby it is not excluded that this electrode contains ionomers and / or contains or consists in large part of the active catalyst;
- non-closed sheet material, eg a net or an expanded metal, which for example consists of, comprises or is coated with a catalyst and according to certain embodiments bears against the first ion exchange membrane, for example an AEM;
- polymer-bonded unsupported catalyst structure comprising particulate catalyst containing or subsequently impregnated with an ionomer which allows attachment to the first ion exchange membrane, for example an AEM, the electrode then being mechanically pressed onto the first ion exchange membrane, for example an AEM previously compressed with the first ion exchange membrane, such as an AEM, to form a composite;
- porous conductive carrier impregnated with a suitable catalyst and optionally an ionomer and, according to certain embodiments, being applied to the first ion exchange membrane, for example an AEM;
- non-ion-conductive gas diffusion electrode which has subsequently been impregnated with a suitable ionomer, for example an anionic ionomer, and according to certain embodiments is applied to the first ion exchange membrane, for example an AEM, or is connected thereto, eg via an ionomer.
Auch verschiedene Kombinationen der oben beschriebenen Elektrodenstrukturen sind als Kathode möglich.Also, various combinations of the electrode structures described above are possible as the cathode.
Die entsprechenden Kathoden können hierbei auch in Kathoden übliche Materialien wie Binder, Ionomere, beispielsweise anionenleitfähige Ionomere, Füllstoffe, hydrophile Zusätze, etc. enthalten, welche nicht besonders beschränkt sind. Neben dem Katalysator kann die Kathode also gemäß bestimmten Ausführungsformen mindestens ein Ionomer, beispielsweise ein anionenleitfähiges bzw. anionentransportierendes Ionomer (z.B. Anionenaustauscherharz, Anionentransportharz) welches z.B. verschiedene funktionelle Gruppen zum Ionenaustausch umfassen kann, welche gleich oder verschieden sein können, beispielsweise, tertiäre Amingruppen, Alkylammoniumgruppen und/oder Phosphoniumgruppen), ein, z.B. leitfähiges, Trägermaterial (z.B. ein Metall wie Titan), und/oder mindestens ein Nicht-Metall wie Kohlenstoff, Si, Bornitrid (BN), Bordotierten Diamant, etc., und/oder mindestens ein leitfähiges Oxid wie Indiumzinnoxid(ITO), Aluminiumzinkoxid (AZO) oder fluoriertes Zinnoxid (FTO) - beispielsweise wie es zur Herstellung von Photoelektroden verwendet wird, und/oder mindestens ein Polymer basierend auf Polyacetylen, Polyethoxythiophen, Polyanilin oder Polypyrrol, wie beispielsweise in polymerbasierten Elektroden; nichtleitfähige Träger wie z.B. Polymernetze sind beispielsweise bei einer ausreichenden Leitfähigkeit der Katalysatorlage möglich), Binder (z.B. hydrophile und/oder hydrophobe Polymere, z.B. organische Binder, z.B. ausgewählt aus PTFE (Polytetrafluorethylen), PVDF (Polyvinyliendifluorid), PFA (Perfluoralkoxy-Polymeren), FEP (fluorierte Ethylen-Propylen-Copolymeren), PFSA (Perfluorsulfonsäure-Polymeren), und Mischungen davon, insbesondere PTFE), leitfähige Füllstoffe (z.B. Kohlenstoff), nicht leitfähige Füllstoffe (z.B. Glas) und/oder hydrophile Zusätze (z.B. Al2O3, MgO2, hydrophile Materialien wie Polysulfone, z.B. Polyphenylsulfone, Polyimide, Polybenzoxazole oder Polyetherketone bzw. allgemein im Elektrolyten elektrochemisch stabile Polymere, polymerisierte „Ionische Flüssigkeiten“, und/oder organische Leiter wie PEDOT:PSS oder PANI (champhersulfonsäuredortiertes Polyanilin) enthalten, welche nicht besonders beschränkt sind.The corresponding cathodes may in this case also contain materials customary in cathodes, such as binders, ionomers, for example anionic ionomers, fillers, hydrophilic additives, etc., which are not particularly limited. Thus, according to certain embodiments, besides the catalyst, the cathode may comprise at least one ionomer, for example an anionic ionomer (eg, anion exchange resin, anion transport resin) which may include, for example, various ion exchange functional groups, which may be the same or different, for example, tertiary amine groups, alkyl ammonium groups and / or phosphonium groups), for example a conductive carrier material (eg a metal such as titanium), and / or at least one non-metal such as carbon, Si, boron nitride (BN), boron-doped diamond, etc., and / or at least one conductive one Oxide such as indium tin oxide (ITO), aluminum zinc oxide (AZO) or fluorinated tin oxide (FTO) - for example as used to make photoelectrodes, and / or at least one polymer based on polyacetylene, polyethoxythiophene, polyaniline or polypyrrole, such as in polymer based electrodes; non-conductive supports such as polymer nets are possible, for example, with sufficient conductivity of the catalyst layer), binders (eg hydrophilic and / or hydrophobic polymers, eg organic binders, eg selected from PTFE (polytetrafluoroethylene), PVDF (polyvinylidifluoride), PFA (perfluoroalkoxy polymers), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymers), PFSA (perfluorosulfonic acid polymers), and mixtures thereof, in particular PTFE), conductive fillers (eg carbon), non-conductive fillers (eg glass) and / or hydrophilic additives (eg Al 2 O 3 , MgO 2 , hydrophilic Materials such as polysulfones, for example polyphenylsulfones, polyimides, polybenzoxazoles or polyether ketones or in the electrolyte generally electrochemically stable polymers, polymerized "ionic liquids", and / or organic conductors such as PEDOT: PSS or PANI (champhersulfonsäuredortiertes polyaniline) included, which are not particularly limited.
Die Kathode, insbesondere in Form einer Gasdiffusionselektrode, z.B. verbunden mit der ersten Ionenaustauschermembran, oder enthalten in Form einer CCM, enthält gemäß bestimmten Ausführungsformen ionenleitfähige Komponenten, insbesondere eine anionenleitfähige Komponente.The cathode, especially in the form of a gas diffusion electrode, e.g. bonded to the first ion exchange membrane, or contained in the form of a CCM, according to certain embodiments, contains ionically conductive components, in particular an anionic conductive component.
Auch andere Kathodenformen sind möglich, beispielweise Kathoden-Aufbauten, wie sie in
Auch die Anode ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt und kann an eine gewünschte Halbreaktion angepasst sein, beispielsweise hinsichtlich der Reaktionsprodukte. An der Anode, welche mit der Kathode mittels einer Stromquelle zur Bereitstellung der Spannung für die Elektrolyse elektrisch verbunden ist, findet im Anodenraum die Oxidation eines Stoffes statt. Darüber hinaus ist das Material der Anode nicht besonders beschränkt und hängt in erster Linie von der erwünschten Reaktion ab. Beispielhafte Anodenmaterialien umfassen Platin bzw. Platinlegierungen, Palladium bzw. Palladiumlegierungen und Glaskohlenstoff, Eisen, Nickel, etc. Weitere Anodenmaterialien sind auch leitfähige Oxide wie dotiertes bzw. undotiertes TiO2, Indiumzinnoxid (ITO), Fluor dotiertes Zinnoxid (FTO), Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO), Iridiumoxid, etc. Ggf. können diese katalytisch aktiven Verbindungen auch nur in Dünnfilmtechnologie oberflächlich aufgebracht sein, beispielsweise auf einem Titan und/oder Kohlenstoffträger. Der Anodenkatalysator ist nicht besonders beschränkt. Als Katalysator zur O2- oder Cl2-Erzeugung kommen beispielsweise auch IrOx (1.5 < x < 2) oder RUO2 zum Einsatz. Diese können auch als Mischoxid mit anderen Metallen, z.B. TiO2, vorliegen, und/oder auf einem leitfähigen Material wie C (in Form von Leitruß, Aktivkohle, Grafit, etc.) geträgert sein. Alternativ können auch Katalysatoren auf Fe-Ni oder Co-Ni Basis zur O2-Erzeugung genutzt werden. Hierfür ist beispielsweise der unten beschriebene Aufbau mit bipolarer Membran bzw. Bipolar-Membran geeignet.Also, the anode according to the invention is not particularly limited and may be adapted to a desired half reaction, for example with respect to the reaction products. At the anode, which is electrically connected to the cathode by means of a current source for providing the voltage for the electrolysis, the oxidation of a substance takes place in the anode space. Moreover, the material of the anode is not particularly limited and depends primarily on the desired reaction. Exemplary anode materials include platinum alloys, palladium and glassy carbon, iron, nickel, etc. Other anode materials are also conductive oxides such as doped TiO 2 , indium tin oxide (ITO), fluorine doped tin oxide (FTO), aluminum doped zinc oxide (AZO), iridium oxide, etc. If necessary. For example, these catalytically active compounds can also be superficially applied only in thin-film technology, for example on a titanium and / or carbon support. The anode catalyst is not particularly limited. As a catalyst for O 2 - or Cl 2 generation, for example, IrO x (1.5 <x <2) or RUO 2 are used. These may also be present as a mixed oxide with other metals, eg TiO 2 , and / or be supported on a conductive material such as C (in the form of carbon black, activated carbon, graphite, etc.). Alternatively, catalysts based on Fe-Ni or Co-Ni can also be used for O 2 production. For this purpose, for example, the structure described below with bipolar membrane or bipolar membrane is suitable.
Die Anode ist die Elektrode an der die oxidative Halbreaktion stattfindet. Sie kann ebenfalls als Gasdiffusionselektrode, poröse Elektrode oder Vollelektrode bzw. solide Elektrode, etc. ausgebildet sein.
Folgende Ausführungsformen sind möglich:
- - Gasdiffusionselektrode bzw. poröse gebundene Katalysatorstruktur, die gemäß bestimmten Ausführungsformen mittels eines geeigneten Ionomers, beispielsweise eines kationischen Ionomers, mit der ersten Separator-Membran, so vorhanden, beispielsweise einer Kationenaustauschermembran (CEM) oder einem Diaphragma, z.B. ionenleitend und/oder mechanisch verklebt sein kann;
- - Gasdiffusionselektrode bzw. poröse gebundene Katalysatorstruktur, die gemäß bestimmten Ausführungsformen partiell in die erste Separator-Membran, beispielsweise eine CEM oder ein Diaphragma, gepresst sein kann;
- - partikulärer Katalysator, der mittels eines geeigneten Ionomers auf einen geeigneten Träger, beispielsweise einen porösen leitfähigen Träger, aufgebracht ist und gemäß bestimmten Ausführungsformen an der ersten Separator-Membran, beispielsweise einer CEM oder einem Diaphragma, anliegen kann;
- - partikulärer Katalysator, der in die erste Separator-Membran, beispielsweise eine CEM oder ein Diaphragma, eingepresst ist und beispielsweise entsprechend leitend verbunden ist;
- - nicht geschlossenes Flächengebilde, z.B. ein Netz oder ein Streckmetall, das beispielsweise aus einem Katalysator besteht bzw. diesen umfasst oder mit diesem beschichtet ist und gemäß bestimmten Ausführungsformen an der ersten Separator-Membran, beispielsweise einer CEM oder einem Diaphragma, anliegt;
- - solide Elektrode, wobei in diesem Fall auch ein Spalt zwischen der ersten Separator-Membran, beispielsweise einer CEM oder einem Diaphragma, und der Anode bestehen kann, wobei dies jedoch nicht bevorzugt ist;
- - poröser, leitfähiger Träger, der mit einem geeigneten Katalysator und ggf. einem Ionomer imprägniert ist und gemäß bestimmten Ausführungsformen an der ersten Separator-Membran, beispielsweise einer CEM oder einem Diaphragma, anliegt;
- - nicht ionenleitfähige Gasdiffussionselektrode, die nachträglich mit einem geeigneten Ionomer, beispielsweise einem kationleitfähigen Ionomer, imprägniert wurde und gemäß bestimmten Ausführungsformen an der ersten Separator-Membran, beispielsweise einer CEM oder einem Diaphragma, anliegt
- - beliebige Varianten der diskutierten Ausführungsformen, wobei die Elektrode z.B. ein anodisch stabiles anionenleitfähiges Material enthält und direkt an der anionenleitenden Schicht einer Bipolarmembran anliegt.
The following embodiments are possible:
- - Gas diffusion electrode or porous bonded catalyst structure, which according to certain embodiments by means of a suitable ionomer, for example a cationic ionomer, with the first separator membrane, if present, for example, a cation exchange membrane (CEM) or a diaphragm, for example ion-conducting and / or mechanically bonded can;
- - Gas diffusion electrode or porous bonded catalyst structure, which according to certain embodiments may be partially pressed into the first separator membrane, such as a CEM or a diaphragm;
- particulate catalyst applied to a suitable support, for example a porous conductive support, by means of a suitable ionomer and, according to certain embodiments, abutting the first separator membrane, for example a CEM or a diaphragm;
- particulate catalyst which is pressed into the first separator membrane, for example a CEM or a diaphragm, and is correspondingly conductively connected, for example;
- non-closed sheet material, eg a net or an expanded metal, which for example consists of, comprises or is coated with a catalyst and, according to certain embodiments, bears against the first separator membrane, for example a CEM or a diaphragm;
- solid electrode, in which case a gap may also exist between the first separator membrane, for example a CEM or a diaphragm, and the anode, although this is not preferred;
- porous conductive carrier impregnated with a suitable catalyst and optionally an ionomer and, according to certain embodiments, abutting the first separator membrane, for example a CEM or a diaphragm;
- - non-ionic gas diffusion electrode which has been subsequently impregnated with a suitable ionomer, for example a cationic ionomer, and according to certain embodiments is applied to the first separator membrane, for example a CEM or a diaphragm
- - Any variants of the discussed embodiments, wherein the electrode, for example, contains an anodically stable anion conductive material and is applied directly to the anion-conducting layer of a bipolar membrane.
Die Anode kann sich dabei an den Säure-Elektrolyten anschließen oder auch direkt auf der ersten Ionenaustauschermembran, z.B. einer AEM, beispielsweise in Form eines Flächengebildes (z.B. feinmaschiges beschichtetes Gitter) anliegen, so kein Salzbrückenraum vorhanden ist, wobei letzteres jedoch nicht bevorzugt ist. Auch hier sind verschiedene Kombinationen der verschiedenen Anodenstrukturen möglich. Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird die Kathode über die flüssige Säure, beispielsweise im Salzbrückenraum oder im Anodenraum, z.B. im Salzbrückenraum, an die anodische Halbzelle gekoppelt.The anode may be attached to the acid electrolyte or directly on the first ion exchange membrane, e.g. AEM, for example in the form of a sheet (e.g., a fine mesh coated mesh), if no salt bridge space is present, but the latter is not preferred. Again, various combinations of different anode structures are possible. According to certain embodiments, the cathode is passed over the liquid acid, for example in the salt bridge space or in the anode space, e.g. in the salt bridge space, coupled to the anodic half-cell.
Die entsprechenden Anoden können ebenfalls in Anoden übliche Materialien wie Binder, Ionomere, z.B. auch kationenleitende Ionomere, beispielsweise enthaltend Sulfonsäure- und/oder Phosphonsäuregruppen, Füllstoffe, hydrophile Zusätze, etc. enthalten, welche nicht besonders beschränkt sind, welche beispielsweise auch oben bezüglich der Kathoden beschrieben sind.The corresponding anodes may also contain materials common in anodes such as binders, ionomers, e.g. also cation-conducting ionomers, for example containing sulfonic acid and / or phosphonic acid groups, fillers, hydrophilic additives, etc., which are not particularly limited, which are described, for example, also above with respect to the cathodes.
In einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle wie auch in den erfindungsgemäßen Verfahren können die oben beispielhaft genannten Elektroden beliebig miteinander kombiniert werden.In an electrolysis cell according to the invention as well as in the methods according to the invention, the electrodes mentioned above by way of example can be combined with one another as desired.
Darüber hinaus können auch im Anodenraum und/oder Kathodenraum Elektrolyte vorhanden sein, welche auch als Anolyt bzw. Katholyt bezeichnet werden, jedoch ist es erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen, dass keine Elektrolyten in den beiden Räumen vorhanden sind und entsprechend beispielsweise nur Gase zur Umsetzung in diese zugeführt werden, beispielsweise nur CO2, ggf. auch als Mischung mit z.B. CO und/oder H2O, welches ggf. auch flüssig z.B. als Aerosol sein kann, bevorzugt jedoch gasförmiges H2O zur Kathode und/oder Wasser oder HCl zur Anode. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist ein Anolyt vorhanden, welcher sich von der Salzbrücke, also dem Elektrolyten des Salzbrückenraums, welcher eine flüssige und/oder gelöste Säure aufweist - so vorhanden - unterscheiden kann oder diesem entsprechen kann, beispielsweise hinsichtlich enthaltener Lösungsmittel, Säuren etc. So keine Salzbrücke vorhanden ist umfasst der Anolyt eine flüssige und/oder gelöste Säure.In addition, electrolytes may also be present in the anode space and / or cathode space, which are also referred to as anolyte or catholyte, but it is not excluded according to the invention that no electrolytes are present in the two spaces and correspondingly, for example, only gases for conversion into this supplied be, for example, only CO 2 , possibly also as a mixture with, for example CO and / or H 2 O, which may also be liquid, for example as an aerosol, but preferably gaseous H 2 O to the cathode and / or water or HCl to the anode. According to certain embodiments, an anolyte is present, which may differ from the salt bridge, ie the electrolyte of the salt bridge space, which has a liquid and / or dissolved acid - if present - or may correspond to it, for example with regard to solvents, acids etc., etc. Salt bridge is present, the anolyte comprises a liquid and / or dissolved acid.
Ein Katholyt ist hierbei der Elektrolytstrom um die Kathode und dient gemäß bestimmten Ausführungsformen der Versorgung der Kathode mit Substrat bzw. Edukt. Die folgenden Ausführungsformen sind beispielsweise möglich. Der Katholyt kann z.B. als Lösung des Substrates (CO2) in einer flüssigen Trägerphase (z.B. Wasser) und/oder als Mischung des Substrates mit anderen Gasen (z.B. CO + CO2; Wasserdampf + CO2) vorliegen. Ebenfalls können durch eine Rückführung rückgeführte Gase wie CO und/oder H2 vorhanden sein. Auch kann, wie oben beschrieben, das Substrat als Reinphase, z.B. CO2, vorliegen. Entstehen bei der Reaktion ungeladene flüssige Produkte, können diese vom Katholyt ausgewaschen werden und können im Anschluss entsprechend auch optional abgetrennt werden.A catholyte in this case is the electrolyte flow around the cathode and, according to certain embodiments, serves to supply the cathode with substrate or educt. The following embodiments are possible, for example. The catholyte can be present, for example, as a solution of the substrate (CO 2 ) in a liquid carrier phase (eg water) and / or as a mixture of the substrate with other gases (eg CO + CO 2 , water vapor + CO 2 ). Also, recycle gases such as CO and / or H 2 may be present through recycle. Also, as described above, the substrate may be present as a pure phase, for example CO 2 . If uncharged liquid products are formed during the reaction, they can be washed out by the catholyte and can then be optionally separated afterwards.
Ein Anolyt ist ein Elektrolytstrom um die Anode oder an der Anode und dient gemäß bestimmten Ausführungsformen der Versorgung der Anode mit Substrat bzw. Edukt sowie ggf. dem Abtransport von Anodenprodukten. Die folgenden Ausführungsformen sind beispielsweise möglich. Der Anolyt kann als Lösung des Substrates (z.B. Salzsäure = HClaq) in einer flüssigen Trägerphase (z.B. Wasser), ggf. mit Leitsalzen, welche nicht beschränkt sind - insbesondere bei Verwendung einer Bipolarmembran als erste Separator-Membran, wobei der Anolyt hier auch basisch werden kann und auch Kationen enthalten kann, wie nachfolgend beschrieben, oder als Mischung des Substrates mit anderen Gasen (z.B. Chlorwasserstoff = HClg + H2O, SO2, etc.) vorliegen. Wie auch beim Katholyt kann das Substrat aber auch als Reinphase vorliegen, z.B. in Form von Chlorwasserstoffgas = HClg.An anolyte is an electrolyte stream around the anode or at the anode and, according to certain embodiments, serves to supply the anode with substrate or starting material and, if appropriate, the removal of anode products. The following embodiments are possible, for example. The anolyte can be used as a solution of the substrate (eg hydrochloric acid = HCl aq ) in a liquid carrier phase (eg water), optionally with conductive salts, which are not limited - in particular when using a bipolar membrane as the first separator membrane, wherein the anolyte here also basic may be and may also contain cations, as described below, or as a mixture of the substrate with other gases (eg hydrochloric acid = HCl g + H 2 O, SO 2 , etc.) are present. As with the catholyte, however, the substrate can also be present as a pure phase, for example in the form of hydrogen chloride gas = HCl g .
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der Anodenraum einen Anolyt, welcher eine flüssige und/oder gelöste Säure umfasst, bevorzugt wobei der Anolyt und/oder die Säure im Salzbrückenraum bzw. der Elektrolyt im Salzbrückenraum keine mobilen Kationen außer Protonen und/oder Deuteronen, insbesondere keine Metall-Kationen, umfasst. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die Säure im Salzbrückenraum keine mobilen Kationen außer Protonen und/oder Deuteronen, insbesondere keine Metall-Kationen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der Anolyt keine mobilen Kationen außer Protonen und/oder Deuteronen, insbesondere keine Metall-Kationen. Mobile Kationen sind hierbei Kationen, welche nicht durch eine chemische Bindung an einen Träger gebunden sind, und/oder insbesondere eine Ionenbeweglichkeit von mehr als 1·10-8 m2/ (s · V), insbesondere von mehr als 1 · 10-10 m2/ (s · V), aufweisen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen werden bei der anodischen Halbreaktion keine mobilen Kationen außer „D+”, H+“, insbesondere keine Metall-Kationen, freigesetzt oder erzeugt. In einem solchen Fall können daher beispielsweise für den Spezialfall der O2-Entwicklung an der Anode Wasser (insbesondere im Fall CCM-Anode) oder Säuren mit nicht oxidierbaren Anionen als Anolyt bzw. Reagens in Frage. Für die Halogenerzeugung an der Anode sind entsprechend insbesondere für diesen Fall die Halogen-Wasserstoff-Säuren HCl, HBr oder HI geeignet, wobei Halogenid-Salze nicht geeignet sein können bei Verwendung eines Diaphragmas als erste Separator-Membran, jedoch bei Verwendung einer bipolaren Membran als erste Separator-Membran verwendet werden können. Auch die Verwendung von SO2 im Anolyt zur Herstellung von Schwefelsäure, bzw. H2O zur Herstellung von H2O2, etc., ist möglich.According to certain embodiments, the anode compartment comprises an anolyte which comprises a liquid and / or dissolved acid, preferably wherein the anolyte and / or the acid in the salt bridge space or the electrolyte in the salt bridge space no mobile cations except protons and / or deuterons, in particular no metal ions. Cations, includes. According to certain embodiments, the acid in the salt bridge space does not comprise mobile cations except protons and / or deuterons, especially no metal cations. According to certain embodiments, the anolyte does not comprise mobile cations except protons and / or deuterons, especially no metal cations. Mobile cations are here cations which are not bound by a chemical bond to a carrier, and / or in particular an ion mobility of more than 1 × 10 -8 m 2 / (s × V), in particular more than 1 × 10 -10 m 2 / (s × V). According to certain embodiments, in the anodic half-reaction no mobile cations other than "D + ", H + ", especially no metal cations, are released or generated. In such a case, therefore, for example, for the special case of O 2 evolution at the anode water (especially in the case of CCM anode) or acids with non-oxidizable anions as anolyte or reagent in question. For the generation of halogens at the anode are suitable in particular for this case, the halogen-hydrogen acids HCl, HBr or HI, halide salts may not be suitable when using a diaphragm as a first separator membrane, but when using a bipolar membrane as first separator membrane can be used. The use of SO 2 in the anolyte for the production of sulfuric acid, or H 2 O for the production of H 2 O 2 , etc., is possible.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der Anolyt ein wässriger Elektrolyt, wobei dem Anolyt ggf. entsprechende Edukte zugesetzt sein können, welche an der Anode umgesetzt werden. Die Edukt-Zugabe ist hierbei nicht besonders beschränkt. Ebenso ist die Eduktzugabe bei der Zufuhr zum Kathodenraum nicht beschränkt. So kann beispielsweise CO2 außerhalb des Kathodenraums zu Wasser zugegeben werden, oder kann auch durch eine Gasdiffusionselektrode zugegeben werden, oder kann auch nur als Gas zum Kathodenraum zugeführt werden. Entsprechende Überlegungen sind analog für den Anodenraum möglich, je nach eingesetztem Edukt, z.B. Wasser, HCl, etc., und gewünschtem Produkt.According to certain embodiments, the anolyte is an aqueous electrolyte, it being possible where appropriate for the corresponding anolyte to be added to the anolyte, which are reacted at the anode. The educt addition is not particularly limited here. Likewise, the educt addition in the supply to the cathode space is not limited. For example, CO 2 may be added to water outside the cathode compartment, or may also be added through a gas diffusion electrode, or may be supplied only as a gas to the cathode compartment. Corresponding considerations are possible analogously for the anode compartment, depending on the educt used, for example water, HCl, etc., and the desired product.
Die erste Ionenaustauschermembran, welche einen Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter bzw. ein Anionentransportmaterial enthält und welche an den Kathodenraum angrenzt, ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt. Sie trennt im Verfahren des ersten Aspekts wie auch in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle die Kathode vom Salzbrückenraum bzw. im Verfahren des zweiten Aspekts trennt sie die Kathode vom Anodenraum, sodass sich aus Richtung des Kathodenraums umfassend CO2 in Richtung des Elektrolyten die Reihenfolge Kathode/erste Ionenaustauschermembran/Salzbrückenraum (erster Aspekt) bzw. Kathode/erste Ionenaustauschermembran/Anodenraum ergeben. Sie enthält insbesondere gemäß bestimmten Ausführungsformen einen Anionentauscher oder besteht aus diesem, der im stromlosen Zustand in Form eines Säure-Anionen-Salzes, bevorzugt entsprechend der Säure der Salzbrücke, vorliegt, und weiter bevorzugt ab einer Mindeststromdichte in die Hydrogencarbonat/Carbonat-Form übergeht. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die erste Ionenaustauschermembran eine Anionenaustauschermembran und/oder Anionentransportermembran. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die erste Ionenaustauschermembran eine hydrophobe Schicht aufweisen, beispielsweise auf Kathodenseite für eine bessere Gaskontaktierung. Bevorzugt fungiert die Anionenaustauschermembran und/Anionentransportermembran zudem als Kationen- (wenn auch z.B. in Spuren), insbesondere Protonen-, Blocker. Speziell ein Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter mit fest gebundenen Kationen kann hierbei eine Blockade für bewegliche Kationen durch Coulombabstoßung darstellen, was einer Salzausscheidung, insbesondere innerhalb der Kathode, zusätzlich entgegenwirken kann. Ursächlich hierfür ist wohl die zuvor beschriebene Bildung von Hydrogencarbonationen während der Elektrolyse und die daraus resultierende Bildung von Hydrogencarbonatsalzen aus den durch die Membran transportierten Kationen, sofern diese vorhanden sind. Ohne flüssigen Elektrolyt oder genügend aktiven Anionentransport können diese bzw. ihre Salze üblicherweise nicht abgeführt werden.The first ion exchange membrane containing an anion exchanger and / or anion transporter or an anion transport material and which adjoins the cathode compartment is not particularly limited in the present invention. It separates in the process of the first aspect as well as in the electrolytic cell according to the invention, the cathode of the salt bridge space or in the process of the second aspect separates the cathode from the anode compartment, so from the direction of the cathode compartment comprising CO 2 in the direction of the electrolyte, the order of cathode / first ion exchange membrane / Salt bridge space (first aspect) or cathode / first ion exchange membrane / anode space result. In particular, according to certain embodiments, it contains or consists of an anion exchanger which, in the electroless state, is present in the form of an acid-anion salt, preferably in accordance with the acid of the salt bridge, and more preferably passes from a minimum current density into the bicarbonate / carbonate form. According to certain embodiments, the first ion exchange membrane is an anion exchange membrane and / or anion transporter membrane. According to certain embodiments, the first ion exchange membrane may comprise a hydrophobic layer, for example, on the cathode side for better gas contacting. Preferably, the anion exchange membrane and / anion transport membrane also acts as cation (albeit in trace), in particular proton, blocker. Specifically, an anion exchanger and / or anion transporter with tightly bound cations can represent a blockade for mobile cations by Coulombabstoßung, which can additionally counteract salt precipitation, in particular within the cathode. The reason for this is probably the previously described formation of hydrogen carbonate ions during electrolysis and the resulting formation of bicarbonate salts from the cations transported through the membrane, if they are present. Without liquid electrolyte or sufficient active anion transport, these or their salts can usually not be removed.
Insbesondere bei einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) ist die Anreicherung der Elektrolytkationen im Bereich der Grenzfläche üblicherweise auf die Elektroosmose zurückzuführen. Ein Konzentrationsgradient kann hierbei dann elektrodenseitig nicht einfach abgebaut werden, da eine katalysatorbasierte Kathode, welche wie oben dargelegt ausgestaltet ist, z.B. eine Gasdiffusionselektrode oder eine CCM, gewöhnlich nur eine sehr schlechte Anionenleitfähigkeit aufweist. Durch die Integration Anionen leitender Komponenten kann die AnionenLeitfähigkeit hier deutlich verbessert werden. In dem hier beschriebenen Verfahren enthält der Elektrolyt lediglich Protonen. Diese werden wie Metall-Kationen ebenfalls durch das elektrische Feld in Richtung Kathode gezogen, allerdings können sie nicht als solche durch die AEM in der Karbonat/Hydrogenkarbonat treten, da sie mit den darin enthalten Hydrogenkarbonat-Ionen abreagieren. Der fundamentale Unterschied zur Verwendung von Salz-Elektrolyten besteht darin, dass der Ladungstransport an der AEM-Elektrolyt Grenze nicht durch Wanderung eines Ladungsträgers, sondern durch Vernichtung zweier entgegengesetzt geladen Ladungsträger erfolgt.Particularly in the case of a membrane electrode assembly (MEA), the accumulation of the electrolyte cations in the region of the interface is usually due to the electroosmosis. A concentration gradient can not be easily degraded on the electrode side, since a catalyst-based cathode, which is designed as set out above, e.g. a gas diffusion electrode or a CCM, usually has only a very poor Anionenleitfähigkeit. By integrating anions of conductive components, the anion conductivity can be significantly improved. In the method described here, the electrolyte contains only protons. These, like metal cations, are also pulled by the electric field towards the cathode, but they can not pass as such through the AEM in the carbonate / hydrogen carbonate since they react with the hydrogen carbonate ions contained therein. The fundamental difference to the use of salt electrolytes is that the charge transport at the AEM electrolyte boundary is not due to migration of a charge carrier, but by destruction of two oppositely charged charge carriers.
Zur Verbesserung der Betriebsstabilität können Ionentransporter, insbesondere Anionentransportharze, als Bindermaterial bzw. Additiv in der Elektrode selbst verwendet werden und/oder in einer Anionenaustauscherschicht, welche an der Kathode anliegt, um beispielsweise entstehende OH--Ionen schnell abzuleiten bzw. teilweise abzupuffern, sodass die Reaktion mit CO2 und die damit verbundene Bildung von Hydrogencarbonaten verringert werden kann bzw. die Anionentransportharze HCO3 - selbst leiten. Prinzipiell kann ein Anionentransport durch Anionaustauscher erfolgen. Des Weiteren stellt speziell ein integrierter Anionenaustauscher wiederum eine Blockade für Kationen, z.B. auch Metallkationspuren, dar, was einer Salzausscheidung und Verunreinigung der Elektrode zusätzlich entgegenwirken kann. Im Falle von Protonen kann die Wasserstoffbildung unterdrückt werden.To improve the operational stability, ion transporters, in particular anion transport resins, can be used as binder material or additive in the electrode itself and / or in an anion exchange layer which is applied to the cathode, for example, to rapidly dissipate or partially buffer the resulting OH - ions, so that the Reaction with CO 2 and the associated formation of bicarbonates can be reduced or the Anionentransportharze HCO 3 - direct yourself. In principle, an anion transport can be carried out by anion exchangers. Furthermore, specially designed an integrated Anion exchangers, in turn, constitute a blockade for cations, eg also metal cation traces, which can additionally counteract salt precipitation and contamination of the electrode. In the case of protons, hydrogen formation can be suppressed.
Die erste Ionenaustauschermembran, z.B. von Kathodenseite angrenzend an die Salzbrücke im Verfahren des ersten Aspekts, kann somit beispielsweise einen Anionenaustauscher und/oder und/oder Anionentransporter in Form einer Anionenaustauscher und/oder -transporterschicht enthalten, wobei dann weitere Schichten wie hydrophobierende Schichten zur Verbesserung des Kontakts zu einem Gas, z.B. CO2, enthalten sein können. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die erste Ionenaustauschermembran eine Anionenaustauschermembran und/oder Anionentransportermembran, also beispielsweise eine ionenleitfähige Membran (bzw. auch im weiteren Sinne eine Membran mit einer Anionenaustauscherschicht und/oder Anionentransportschicht) mit positiv geladenen Funktionalsierungen, welche nicht besonders beschränkt ist. Ein bevorzugter Ladungstransport findet in der Anionenaustauscherschicht und/oder Anionentransporterschicht bzw. einer Anionenaustauschermenbran und/oder Anionentransportermembran durch Anionen statt. Insbesondere dient die erste Ionenaustauschermembran und darin insbesondere Anionenaustauscherschicht und/oder Anionentransporterschicht bzw. eine Anionenaustauschermembran und/oder Anionentransportermembran zur Bereitstellung eines Anionentransports entlang ortsfester fixierter positiver Ladungen. Dabei kann insbesondere das durch elektro-osmotische Kräfte geförderte Eindringen eines beispielsweise protonenhaltigen Elektrolyten in die Kathode reduziert oder vollständig vermieden werden. Der in der Membran enthalte Ionentauscher kann gemäß bestimmten Ausführungsformen insbesondere im Betrieb in die Carbonat/Hydrogencarbonat-Form überführt werden und dadurch den Durchtritt von Protonen durch die Membran zur Kathode unterdrücken.The first ion exchange membrane, for example, from the cathode side adjacent to the salt bridge in the process of the first aspect, can thus contain, for example, an anion exchanger and / or anion and / or anion transporter in the form of an anion exchanger and / or transporter layer, in which case further layers, such as hydrophobicizing layers, are used to improve the Contact with a gas, such as CO 2 , may be included. According to certain embodiments, the first ion exchange membrane is an anion exchange membrane and / or anion transporter membrane, ie for example an ion-conductive membrane (or in a broader sense a membrane with an anion exchange layer and / or anion transport layer) with positively charged functionalizations, which is not particularly limited. A preferred charge transport takes place in the anion exchanger layer and / or Anionentransporterschicht or a Anionenaustauschermenbran and / or Anionentransportermembran by anions. In particular, the first ion exchange membrane and, in particular, anion exchange layer and / or anion transport layer or an anion exchange membrane and / or anion transport membrane serve to provide an anion transport along fixed fixed positive charges. In particular, the penetration of an electrolyte, for example proton-containing electrolyte, into the cathode promoted by electro-osmotic forces can be reduced or completely avoided. The ion exchanger contained in the membrane can be converted in accordance with certain embodiments, in particular in operation in the carbonate / bicarbonate form and thereby suppress the passage of protons through the membrane to the cathode.
Eine geeignete erste Ionenaustauschermembran, beispielsweise Anionenaustauschermembran und/oder Anionentransportermembran, zeigt gemäß bestimmten Ausführungsformen eine gute Benetzbarkeit durch Wasser und/oder Säuren, insbesondere wässrige Säuren, eine hohe Ionenleitfähikeit, und/oder eine Toleranz der darin enthaltenen funktionellen Gruppen gegenüber hohen pH-Werten, zeigt insbesondere keine Hoffmann-Eliminierung. Eine beispielhafte erfindungsgemäße AEM ist die im Beispiel verwendete, von Tokuyama vertriebene A201-CE Membran, die von Dioxide Materials vertriebene „Sustainion“ oder eine von Fumatech vertriebene Anionenaustauschermembran, wie z.B. Fumasep FAS-PET oder Fumasep FAD-PET.A suitable first ion exchange membrane, for example anion exchange membrane and / or anion transporter membrane, according to certain embodiments, exhibits good wettability by water and / or acids, in particular aqueous acids, high ion conductivity, and / or a tolerance of the functional groups contained therein to high pH values, in particular, shows no Hoffmann elimination. An exemplary AEM according to the present invention is the A201-CE membrane marketed by Tokuyama, the "Sustainion" marketed by Dioxide Materials, or an anion exchange membrane sold by Fumatech, such as, e.g. Fumasep FAS-PET or Fumasep FAD-PET.
Darüber hinaus ist die erste Separator-Membran nicht besonders beschränkt, so sie vorhanden ist, also beispielsweise im Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.Moreover, the first separator membrane is not particularly limited if it is present, that is, for example, in the method according to the first aspect of the present invention.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die erste Separator-Membran (von Anodenseite gesehen angrenzend an die Salzbrücke) ausgewählt aus einer Ionenaustauschermembran, welche einen Kationenaustauscher enthält, einer bipolaren Membran, wobei bei der bipolaren Membran bevorzugt die Kationen leitende Schicht zur Kathode hin orientiert ist und die Anionen leitende Schicht zur Anode hin, und einem Diaphragma.According to certain embodiments, the first separator membrane (viewed from the anode side adjacent to the salt bridge) is selected from an ion exchange membrane containing a cation exchanger, a bipolar membrane, wherein in the bipolar membrane, preferably the cation conductive layer is oriented toward the cathode and the anions conductive layer towards the anode, and a diaphragm.
Eine geeignete erste Separator-Membran, beispielsweise eine Kationenaustauschermembran oder eine bipolare Membran, enthält beispielsweise einen Kationenaustauscher, der im Kontakt mit dem Elektrolyten im Salzbrückenraum stehen kann. Sie kann beispielsweise einen Kationenaustauscher in Form einer Kationenaustauscherschicht enthalten, wobei dann weitere Schichten wie hydrophobierende Schichten enthalten sein können. Sie kann ebenso als bipolare Membran ausgebildet sein oder als Kationenaustauschermembran (CEM). Die Kationenaustauschermembran bzw. Kationenaustauscherschicht ist z.B. eine ionenleitfähige Membran bzw. ionenleitfähige Schicht mit negativ geladenen Funktionalsierungen. Ein beispielhafter Ladungstransport in die Salzbrücke erfolgt in einer solchen ersten Separator-Membran durch Kationen. Beispielsweise sind kommerziell erhältliche Nafion® Membranen als CEM geeignet, oder auch die von Fumatech vertriebene Fumapem-F Membranen, die von Asahi Kasei vertiebene Aciplex, oder die von AGC vertriebenen Flemionmembranen. Grundsätzlich können aber auch andere mit stark sauren Gruppen (Gruppen wie Sulfonsäure, Phosphonsäure) modifizierte Polymer-Membranen eingesetzt werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen unterbindet die erste Separator-Membran den Übergang von Anionen, insbesondere HCO3 -, in den Anodenraum.A suitable first separator membrane, for example a cation exchange membrane or a bipolar membrane, contains, for example, a cation exchanger which can be in contact with the electrolyte in the salt bridge space. It may, for example, contain a cation exchanger in the form of a cation exchange layer, in which case further layers, such as hydrophobicizing layers, may be present. It may also be designed as a bipolar membrane or as a cation exchange membrane (CEM). The cation exchange membrane or cation exchange layer is, for example, an ion-conducting membrane or ion-conducting layer with negatively charged functionalizations. An exemplary charge transport into the salt bridge takes place in such a first separator membrane by cations. For example, commercially available Nafion® membranes are suitable as CEM, or Fumapem-F membranes sold by Asuma, Asahi Kasei-depleted Aciplex, or Flemion membranes marketed by AGC. In principle, however, it is also possible to use other polymer membranes modified with strongly acidic groups (groups such as sulfonic acid, phosphonic acid). According to certain embodiments, the first separator membrane prevents the passage of anions, in particular HCO 3 - , into the anode space.
Daneben kann im vorliegenden Verfahren wie auch in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle die erste Separator-Membran als Diaphragma ausgebildet sein, wodurch die Zelle weniger komplex und billiger gestaltet werden kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen trennt das Diaphragma im Wesentlichen den Anodenraum und den Salzbrückenraum, beispielsweise zu mehr als 70%, 80%, oder 90%, bezogen auf die Grenzfläche zwischen Anodenraum und Salzbrückenraum, oder trennt den Anodenraum und den Salzbrückenraum, also zu 100%, bezogen auf die Grenzfläche zwischen Anodenraum und Salzbrückenraum. Insbesondere kann durch den Einsatz der flüssigen Säure im Salzbrückenraum verhindert werden, dass HCO3 --Ionen in den Anodenraum gelangen. Insofern kann somit auf eine Kationenaustauscherschicht bei der ersten Separator-Membran verzichtet werden. Das Diaphragma ist hierbei nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise auf Basis einer Keramik (z.B. ZrO2 oder Zr3(PO4)3) und/oder eines quellfähigen funktionalisierten Polymers, z.B. PTFE, sein. Auch Binder (z.B. hydrophile und/oder hydrophobe Polymere, z.B. organische Binder, z.B. ausgewählt aus PTFE (Polytetrafluorethylen), PVDF (Polyvinyliendifluorid), PFA (Perfluoralkoxy-Polymeren), FEP (fluorierte Ethylen-Propylen-Copolymeren), PFSA (Perfluorsulfonsäure-Polymeren), und Mischungen davon, insbesondere PTFE), leitfähige Füllstoffe (z.B. Kohlenstoff), nicht leitfähige Füllstoffe (z.B. Glas) und/oder hydrophile Zusätze (z.B. Al2O3, MgO2, hydrophile Materialien wie Polysulfone, z.B. Polyphenylsulfone (PPSU), Polyimide, Polybenzoxazole oder Polyetherketone bzw. allgemein im Elektrolyten elektrochemisch stabile Polymere können vorhanden sein. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist das Diaphragma porös und/oder hydrophil. Da es selbst nicht ionenleitfähig ist, sollte es bevorzugt in der Lage sein, in den verwendeten Säure-Elektrolyten aufzuquellen. Des Weiteren stellt es für Gase eine physikalische Barriere dar und kann nicht von Gasblasen durchdrungen werden. Beispielsweise ist es eine poröse Polymersstruktur, wobei das Gundpolymer hydrophil ist (z.B. PPSU). Im Unterschied zur CEM oder Bipolar-Membran umfasst das Polymer keine geladenen Funktionalsierungen. Des Weiteren kann das Diaphragma weiter bevorzugt hydrophile strukturgebende Komponenten wie Metalloxide (z.B. ZrO2) oder Keramiken enthalten, wie oben ausgeführt.In addition, in the present method as well as in the electrolytic cell according to the invention, the first separator membrane may be formed as a diaphragm, whereby the cell can be made less complex and cheaper. According to certain embodiments, the diaphragm essentially separates the anode space and the salt bridge space, for example more than 70%, 80% or 90%, based on the interface between anode space and salt bridge space, or separates the anode space and the salt bridge space, that is to say 100%, based on the interface between anode compartment and salt bridge space. In particular, can be prevented by the use of liquid acid in the salt bridge space that HCO 3 - ions in the Anode room arrive. In this respect, it is thus possible to dispense with a cation exchanger layer in the first separator membrane. The diaphragm is not particularly limited in this case and may for example be based on a ceramic (eg ZrO 2 or Zr 3 (PO 4 ) 3 ) and / or a swellable functionalized polymer, eg PTFE. Also binders (eg hydrophilic and / or hydrophobic polymers, for example organic binders, for example selected from PTFE (polytetrafluoroethylene), PVDF (polyvinylidifluoride), PFA (perfluoroalkoxy polymers), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymers), PFSA (perfluorosulfonic acid polymers ), and mixtures thereof, in particular PTFE), conductive fillers (eg carbon), non-conductive fillers (eg glass) and / or hydrophilic additives (eg Al 2 O 3 , MgO 2 , hydrophilic materials such as polysulfones, eg polyphenylsulfones (PPSU), Polyimides, polybenzoxazoles, or polyether ketones, or polymers generally electrochemically stable in the electrolyte, may be present According to certain embodiments, the diaphragm is porous and / or hydrophilic, and since it is not itself ionically conductive, it should preferably be capable of reacting in the acid electrolyte used Furthermore, it is a physical barrier to gases and can not be penetrated by gas bubbles It is a porous polymer structure where the base polymer is hydrophilic (eg PPSU). Unlike the CEM or bipolar membrane, the polymer does not contain charged functionalities. Furthermore, the diaphragm may further preferably contain hydrophilic structuring components such as metal oxides (eg ZrO 2 ) or ceramics, as stated above.
Eine geeignete erste Separator-Membran, beispielsweise eine Kationenaustauschermembran, eine bipolare Membran und/oder ein Diaphragma, zeigt gemäß bestimmten Ausführungsformen eine gute Benetzbarkeit durch Wasser und/oder Säuren, eine hohe Ionenleitfähigkeit, eine Stabilität gegenüber reaktiven Spezies, die an der Anode generiert werden können (beispielsweise gegeben für perfluorierte Polymere), und/oder eine Stabilität in den erforderlichen pH-Regimen, insbesondere gegenüber der flüssigen Säure im Salzbrückenraum.A suitable first separator membrane, such as a cation exchange membrane, a bipolar membrane and / or a diaphragm, exhibits, according to certain embodiments, good wettability by water and / or acids, high ionic conductivity, stability to reactive species generated at the anode may (for example given for perfluorinated polymers), and / or stability in the required pH regimes, in particular to the liquid acid in the salt bridge space.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die erste Ionenaustauschermembran und/oder die erste Separator-Membran hydrophob, so sie mit mit den Elektroden eine CCM bilden, zumindest auf der den Elektroden zugewandten Seite, so die Edukte der Elektroden gasförmig vorliegen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Anode und/oder Kathode zumindest teilweise hydrophil. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die erste Ionenaustauschermembran und/oder die erste Separator-Membran mit Wasser benetzbar. Um eine gute Ionenleitfähikeit der Ionomeren zu gewährleisten ist ein Quellen mit Wasser bevorzugt. Im Experiment hat sich gezeigt, dass schlecht benetzbare Membranen zu einer deutlichen Verschlechterung der ionischen Anbindung der Elektroden führen können.According to certain embodiments, the first ion exchange membrane and / or the first separator membrane are hydrophobic if they form a CCM with the electrodes, at least on the side facing the electrodes, so that the reactants of the electrodes are gaseous. According to certain embodiments, the anode and / or cathode are at least partially hydrophilic. According to certain embodiments, the first ion exchange membrane and / or the first separator membrane are wettable with water. To ensure good ionic conductivity of the ionomers, preference is given to swelling with water. The experiment has shown that poorly wettable membranes can lead to a significant deterioration of the ionic bonding of the electrodes.
Auch für einige der elektrochemischen Umsetzungen an den Katalysator-Elektroden ist die Präsenz von Wasser vorteilhaft.
Daher haben auch die Anode und/oder Kathode gemäß bestimmten Ausführungsformen eine ausreichende Hydrophilie. Ggf. kann diese durch hydrophile Zusätze wie TiO2, Al2O3, oder andere elektro-chemisch inerte Metalloxide, etc. angepasst werden.Therefore, according to certain embodiments, the anode and / or cathode also have sufficient hydrophilicity. Possibly. This can be adapted by hydrophilic additives such as TiO 2 , Al 2 O 3 , or other electrochemically inert metal oxides, etc.
Insbesondere wird gemäß bestimmten Ausführungsformen mindestens eine der folgenden ersten Separator-Membranen verwendet.
- - Ein Diaphragma wird bevorzugt verwendet, wenn die Salzbrücke (der Elektrolyt im Salzbrückenraum) und der Anolyt eine identische, bevorzugt inerte, Säure aufweisen oder aus dieser bestehen, wobei hier dann das Diaphragma dazu dient, Gase getrennt zu halten, sodass Kohlendioxid nicht in den Anodenraum übertritt, und/oder wenn an der Anode O2 produziert wird, insbesondere um Kosten zu sparen.
- - A diaphragm is preferably used when the salt bridge (the electrolyte in the salt bridge space) and the anolyte have an identical, preferably inert, acid or consist of this, in which case the diaphragm serves to keep gases separated so that carbon dioxide is not in the Anodenraum exceeds, and / or if at the anode O 2 is produced, in particular to save costs.
Ein entsprechender Aufbau einer beispielhaften Elektrolyseanlage mit Diaphragma DF ist in
- - Eine Kationenaustauschermembran oder eine Membran mit einer Kationenaustauscherschicht werden insbesondere verwendet, wenn die Salzbrücke und der Anolyt nicht identisch sind, und/oder insbesondere wenn der Anolyt HCl, HBr und/oder HI enthält, und/oder wenn eine Chlorproduktion an der Anode erfolgt. Da die Kationenaustauschermembran den Übertritt von Anionen aus dem Anolyten in die Salzbrücke verhindert und im Unterschied zum Diaphragma keine offene Porosität aufweist, kann die Anode freier gestaltet werden. Im Prinzip ist die Anodenreaktion in solch einer Ausführungsform nur darin beschränkt, dass sie keine mobilen Kationen, außer Protonen, freisetzt, die durch die CEM in die Salzbrücke übertreten können.
- - Eine bipolare Membran, wobei bevorzugt eine Anionenaustauscherschicht und/oder Anionentransporterschicht der bipolaren Membran zum Anodenraum hin gerichtet ist und eine Kationenaustauscherschicht und/oder Kationentransportschicht der bipolaren Membran zum Salzbrückenraum hin gerichtet ist, wird insbesondere verwendet, wenn die Salzbrücke und der Anolyt nicht identisch sind, und/oder der Anolyt insbesondere Basen und oder Salze enthält, und/oder bei Verwendung wässriger Elektrolyte. Insbesondere bei der Verwendung von bipolaren Membranen als erste Separator-Membran kann der Anodenraum unabhängig von der Salzbrücke und dem Kathodenraum gestaltet werden, was eine Vielzahl an Anodenreaktionen mit gewünschten Produkten erlaubt, und insbesondere bei der Verwendung von Basen können auch billigere Anoden bzw. Anodenkatalysatoren, beispielsweise Nickel basierte Anodenkatalysatoren für eine Sauerstoffentwicklung, verwendet werden.
- A cation exchange membrane or a membrane with a cation exchange layer are used in particular if the salt bridge and the anolyte are not identical, and / or in particular if the anolyte contains HCl, HBr and / or HI and / or if chlorine production takes place at the anode. Since the cation exchange membrane prevents the passage of anions from the anolyte into the salt bridge and unlike the diaphragm has no open porosity, the anode can be made more free. In principle, in such an embodiment, the anodic reaction is limited only in that it does not release mobile cations, except protons, that can cross into the salt bridge through the CEM.
- - A bipolar membrane, wherein preferably an anion exchanger layer and / or Anionenentransporterschicht the bipolar membrane is directed towards the anode space and a cation exchange layer and / or cation transport layer of the bipolar membrane directed towards the salt bridge space, is particularly used when the salt bridge and the anolyte are not identical, and / or the anolyte contains in particular bases and / or salts, and / or when using aqueous electrolytes. Particularly when bipolar membranes are used as the first separator membrane, the anode compartment can be designed independently of the salt bridge and the cathode compartment, which allows a large number of anode reactions with desired products, and in particular when using bases, cheaper anodes or anode catalysts can also be used. For example, nickel-based anode catalysts for oxygen evolution can be used.
Ein beispielhafter Spezial-Aufbau mit Bipolar-Membran ist in
Eine Bipolar-Membran kann beispielsweise als Sandwich einer CEM und einer AEM ausgeführt sein. In dieser sind dabei üblicherweise aber nicht zwei aufeinandergelegte Membranen vorhanden, sondern es handelt sich um eine Membran mit mindestens zwei Schichten. Die Darstellung in
Die so generieten OH- -Ionen können durch den AEM-Teil der bipolaren Membran zur Anode geleitet werden, wo sie oxidiert werden
Da die Leitfähigkeit der Bipolar-Membran auf der Trennung von Ladungen in der Membran beruht ist jedoch üblicherweise mit einem höheren Spannungsabfall zu rechnen.Since the conductivity of the bipolar membrane is based on the separation of charges in the membrane, however, is usually expected with a higher voltage drop.
Der Vorteil eines solchen Aufbaus liegt in der Entkopplung der Elektrolytkreisläufe, da, wie bereits erwähnt, die Bipolar-Membran für sämtliche Ionen nahezu undurchlässig ist. The advantage of such a structure lies in the decoupling of the electrolyte circuits, since, as already mentioned, the bipolar membrane is almost impermeable to all ions.
Hierdurch kann auch für eine basische Anodenreaktion ein Aufbau realisiert werden, der ohne ständige Nachführung und Abführung von Salzen oder Anodenprodukten auskommt. Dies ist sonst nur bei der Verwendung von Anolyten auf Basis von Säuren mit elektrochemisch inaktiven Anionen wie z.B. H2SO4 möglich. Bei Verwendung einer Bipolar-Membran können auch Hydroxid-Elektrolyten wie KOH oder NaOH als Anolyt verwendet werden. Hohe pH-Werte begünstigen thermodynamisch die Wasser-Oxidation und erlauben den Einsatz wesentlich günstigerer Anodenkatalysatoren, z.B. auf Eisen-Nickel-Basis, welche im Sauren nicht stabil wären.As a result, it is also possible to realize a construction for a basic anode reaction which manages without constant tracking and removal of salts or anode products. This is otherwise possible only with the use of anolyte based on acids with electrochemically inactive anions such as H 2 SO 4 . When using a bipolar membrane, hydroxide electrolytes such as KOH or NaOH may also be used as the anolyte. High pH values thermodynamically favor the water oxidation and allow the use of much cheaper anode catalysts, for example based on iron-nickel, which would not be stable in acidic form.
Somit ist im Sinne der Erfindung bei Verwendung einer Bipolar-Membran als erste Separator-Membran auch die Verwendung von Basen, z.B. einer Hydroxid-Base, als Anolyt, wenn in der Salzbrücke eine Säure verwendet wird. Die zuvor aufgeführten Bevorzugungen für bestimmte Anolyten gelten für diesen Spezialfall nicht. Der Vorteil besteht hierbei darin, dass in basischem Anolyten wesentlich günstigere Anodenkatalysatoren, z.B. auf Ni/Fe Basis, verwendet werden können.Thus, for the purposes of the invention, when using a bipolar membrane as the first separator membrane, the use of bases, e.g. a hydroxide base, as anolyte when an acid is used in the salt bridge. The preferences for certain anolytes listed above do not apply to this special case. The advantage here is that in basic anolyte much cheaper anode catalysts, e.g. Ni / Fe based, can be used.
Es ist erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen, dass neben der ersten Ionenaustauschermembran und ggf. der ersten Separator-Membran noch weitere Membranen und/oder Diaphragmen vorgesehen sind.It is not excluded according to the invention that in addition to the first ion exchange membrane and possibly the first separator membrane further membranes and / or diaphragms are provided.
Daneben haben die Anode und/oder Kathode gemäß bestimmten Ausführungsformen eine ausreichende Hydrophilie. Ggf. kann diese durch hydrophile Zusätze wie TiO2, Al2O3, oder andere elektro-chemisch inerte Metalloxide, etc. angepasst werden. Besides, according to certain embodiments, the anode and / or cathode have sufficient hydrophilicity. Possibly. This can be adapted by hydrophilic additives such as TiO 2 , Al 2 O 3 , or other electrochemically inert metal oxides, etc.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Kathode und/oder die Anode als Gasdiffusionselektrode, als poröse gebundene Katalysatorstruktur, als partikulärer Katalysator auf einem Träger, als Beschichtung eines partikulären Katalysators auf der ersten und/oder zweiten Ionenaustauschermembran, als poröser leitfähiger Träger, in den ein Katalysator imprägniert ist, und/oder als nicht geschlossenes Flächengebilde ausgebildet. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Kathode als Gasdiffusionselektrode, als poröse gebundene Katalysatorstruktur, als partikulärer Katalysator auf einem Träger, als Beschichtung eines partikulären Katalysators auf der ersten und/oder zweiten Ionenaustauschermembran, als poröser leitfähiger Träger, in den ein Katalysator imprägniert ist, und/oder als nicht geschlossenes Flächengebilde ausgebildet, welche(r/s) ein Anionenaustauschermaterial und/oder Anionentransportmaterial enthält. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Anode als Gasdiffusionselektrode, als poröse gebundene Katalysatorstruktur, als partikulärer Katalysator auf einem Träger, als Beschichtung eines partikulären Katalysators auf der ersten und/oder zweiten Ionenaustauschermembran, als poröser leitfähiger Träger, in den ein Katalysator imprägniert ist, und/oder als nicht geschlossenes Flächengebilde ausgebildet, welche(r/s) ein Kationenaustauschermaterial enthält und/oder an eine Bipolar-Membran gekoppelt und/oder gebunden ist. Die verschiedenen Ausführungsformen der Kathode und Anode sind dabei beliebig miteinander kombinierbar.According to certain embodiments, the cathode and / or the anode is impregnated as a gas diffusion electrode, as a porous bound catalyst structure, as a particulate catalyst on a support, as a coating of a particulate catalyst on the first and / or second ion exchange membrane, as a porous conductive support into which a catalyst is impregnated is, and / or formed as a non-closed sheet. According to certain embodiments, the cathode is a gas diffusion electrode, a porous bonded catalyst structure, a particulate supported catalyst, a particulate catalyst coating on the first and / or second ion exchange membrane, a porous conductive support in which a catalyst is impregnated, and / or is formed as a non-closed sheet containing (r / s) an anion exchange material and / or anion transport material. According to certain embodiments, the anode is a gas diffusion electrode, a porous bound catalyst structure, a particulate supported catalyst, a particulate catalyst coating on the first and / or second ion exchange membrane, a porous conductive support in which a catalyst is impregnated, and / or is formed as a non-closed sheet which contains (r / s) a cation exchange material and / or is coupled and / or bound to a bipolar membrane. The various embodiments of the cathode and anode can be combined with one another as desired.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kontaktiert die Anode die erste Separator-Membran, wie oben bereits beispielhaft beschrieben. Hierdurch ist eine gute Anbindung zum Salzbrückenraum möglich. Zudem ist in diesem Fall kein Ladungstransport durch den Anolyten notwendig und der Ladungs-Transportweg verkürzt. Auch können elektrische Abschattungseffekte durch Abstützstrukturen zwischen Anode und erster Separatormembran so umgangen werden.According to certain embodiments, the anode contacts the first separator membrane, as already described above by way of example. This makes a good connection to the salt bridge space possible. In addition, no charge transport through the anolyte is necessary in this case and the charge transport path is shortened. Also electrical shading effects can be bypassed by supporting structures between the anode and the first separator membrane so.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Anode und/oder die Kathode auf der dem Salzbrückenraum abgewandten Seite mit einer leitfähigen Struktur kontaktiert. Die leitfähige Struktur ist hierbei nicht besonders beschränkt. Die Anode und/oder die Kathode werden gemäß bestimmten Ausführungsformen also von der der Salzbrücke abgewandten Seite durch leitfähige Strukturen kontaktiert. Diese sind nicht besonders beschränkt. Hierbei kann es sich beispielsweise um Kohlefließe, Metallschäume, Metallgestricke, Streckmetalle, Grafitstrukturen oder Metallstrukturen handeln.According to certain embodiments, the anode and / or the cathode are contacted with a conductive structure on the side facing away from the salt bridge space. The conductive structure is not particularly limited here. The anode and / or the cathode are therefore contacted in accordance with certain embodiments of the salt bridge opposite side by conductive structures. These are not particularly limited. These may be, for example, coal flows, metal foams, metal knits, expanded metals, graphite structures or metal structures.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird die Elektrolyse mit einer Stromdichte von mehr als 50 mAcm-2, bevorzugt mehr als 100 mAcm-2, weiter bevorzugt von 150 mAcm-2 oder mehr, noch weiter bevorzugt 170 mAcm-2 oder mehr oder 200 mAcm-2 oder mehr, insbesondere von 250 mAcm-2 oder mehr, z.B. 300 mAcm-2 oder mehr, 400 mAcm-2 oder mehr, oder 600 mAcm-2 oder mehr, durchgeführt. Wie oben dargelegt kann hierbei die Faraday-Ausbeute - entgegen der Erwartung - verbessert werden.According to certain embodiments, the electrolysis is carried out at a current density of more than 50 mAcm -2 , preferably more than 100 mAcm -2 , more preferably 150 mAcm -2 or more, even more preferably 170 mAcm -2 or more or 200 mAcm -2 or more, in particular of 250 mAcm -2 or more, eg 300 mAcm -2 or more, 400 mAcm -2 or more, or 600 mAcm -2 or more. As stated above, the Faraday yield can be improved - contrary to expectation.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahren sind die vergleichsweise niedrigen Anforderungen an die chemische Stabilität der ersten Ionenaustauschermembran, z.B. einer AEM. Die Stabilität und damit die Anwendbarkeit von insbesondere AEM's wird derzeit hauptsächlich durch zwei Degradationsmechanismen begrenzt, einerseits durch die oft mangelnde Stabilität der funktionellen Gruppen gegenüber konzentrierten Basen, z.B. KOH (Hoffmann-Eliminierung von Quartären AmmoniumIonen, anderseits durch die Zerstörung des Polymer-Rückgrats durch anodische Oxidation. Da in den hier eingeführten Elektrolyse-Systemen nur Säure-Elektrolyte in Kontakt mit der ersten Ionenaustauschermembran zum Einsatz kommen, ist die erste Ionenaustauschermembran, z.B. eine AEM, niemals konzentrierten Basen ausgesetzt. Die Anode liegt zudem bevorzugt nicht direkt an der ersten Ionenaustauschermembran, z.B. einer AEM, an, was auch die anodische Schädigung dieser Membran ausschließt.Another advantage of the methods of the invention is the comparatively low requirements for the chemical stability of the first ion exchange membrane, e.g. an AEM. The stability and thus the applicability of particular AEM's is currently limited mainly by two degradation mechanisms, on the one hand by the often lacking stability of the functional groups over concentrated bases, e.g. KOH (Hoffmann-Elimination of Quaternary Ammonium Ions, on the other hand, by the destruction of the polymer backbone by anodic oxidation.) Since only electrolytes in contact with the first ion exchange membrane are used in the electrolysis systems introduced here, the first ion exchange membrane, eg one In addition, the anode is preferably not directly attached to the first ion exchange membrane, eg an AEM, which also precludes the anodic damage of this membrane.
Durch die vorliegenden Elektrolyseverfahren können verschiedene Produkte aus CO2 gewonnen werden, wie etwa CO und/oder Kohlenwasserstoffe. Auch Formiat kann aus CO2 elektrochemisch erzeugt werden.
In üblicherweise verwendeten Carbonat-gepufferten Salz-Elektrolyten als Salzbrücke kommt es üblicherweise zur Deprotonierung der Ameisensäure. Das eigentliche Produkt sind somit Formiat-Salze.
Die Spaltung von Formiat-Salzen in Ameisensäure ist technisch schwierig und kostspielig, was bisher die Anwendbarkeit von CO2-Elektrolye zu Ameisensäure begrenzt hat.The cleavage of formate salts in formic acid is technically difficult and costly, which has hitherto limited the applicability of CO 2 electrolytes to formic acid.
In dem hier eingeführten System findet diese Deprotonierung nicht statt, da als Elektrolyt ein säurehaltiger Elektrolyt, insbesondere reine Säure, verwendet wird. Zur weiteren Vereinfachung kann beispielsweise auch in der Salzbrücke Ameisensäure, z.B. verdünnte Ameisensäure, als Elektrolyt verwendet werden, die durch die Elektrolyse aufkonzentriert werden kann, was durch eine entsprechende elektrische Leitfähigkeit der Ameisensäure begünstigt wird, wie aus Tabelle 5 ersichtlich ist.
Tabelle 5: Leitfähigkeit organischer Säuren bei 25°C
Im Betrieb wird gemäß Tabelle 5 beispielsweise eine 10 Gew.% Ameisensäure vorgelegt, die im Betrieb auf beispielsweise 60-70 Gew.% aufkonzentriert wird. Dann wird der Elektrolyt bis auf einen Rest abgezogen, der genutzt wird, um die Startkonzentration von 10 Gew.% wieder herzustellen. Kontinuierlich arbeitende Systeme in engerem Konzentrationsbereich sind ebenfalls denkbar. Für Ameisensäure können bevorzugt Elektroden wie auf Basis von bzw. aus Zinn oder Blei zum Einsatz kommen. Der auftretende HCO3 - Transport beweist, dass im Bereich der Kathode ein hoher pH-Wert existiert. Da Ameisensäure einen niedrigeren pKs-Wert als CO2 besitzt, liegt diese im Bereich der Kathode als Formiat vor. Diese Anionen werden dann beispielsweise ebenfalls durch die erste Ionenaustauschermembran, z.B. AEM, in die Salzbrücke (erster Aspekt) oder den Anolyten (zweiter Aspekt) abtransportiert und durch die dortige Säure re-protoniert. Diese wird durch die aus der anodischen Halbzelle übertretenden oder im Anolyten vorliegenden Protonen regeneriert. Ein Austritt der Ameisensäure auf der dem Salzbrückenraum abgewandten Seite der Elektrode, so vorhanden, ist nicht zu erwarten.In operation, according to Table 5, for example, a 10 wt.% Formic acid is presented, which is concentrated in operation, for example, 60-70 wt.%. The electrolyte is then stripped down to a residue which is used to restore the starting concentration of 10% by weight. Continuously operating systems in a narrower concentration range are also conceivable. For formic acid, electrodes such as those based on or made from tin or lead can preferably be used. Occurring HCO 3 - shows Transport that there is a high pH in the region of the cathode. Since formic acid has a lower pK s value than CO 2 , this is present in the region of the cathode as formate. These anions are then, for example, also transported away by the first ion exchange membrane, eg AEM, into the salt bridge (first aspect) or the anolyte (second aspect) and re-protonated by the acid there. The latter is regenerated by the protons which pass from the anodic half-cell or are present in the anolyte. A leakage of formic acid on the side facing away from the salt bridge space of the electrode, if any, is not expected.
Für die CO2 zu CO Elektrolyse ist beispielsweise eine erste Ionenaustauschermembran, z.B. AEM-Diaphragma-Zelle vorteilhaft, da die Komponenten günstiger und der elektrische Widerstand der Zelle geringer ist.For CO 2 to CO electrolysis, for example, a first ion exchange membrane, such as AEM diaphragm cell advantageous because the components are cheaper and the electrical resistance of the cell is lower.
Eine Doppelmembran-Zelle mit Säure-Salzbrücke ist außerdem für solche Anwendungen vorteilhaft, bei denen ein Austausch von Anionen zwischen Salzbrücke und Anolyt vermieden werden soll, z.B.
- - wenn Anolyt und Salzbücke nicht identisch sind;
- - bei der Ko-Elektrolyse von CO2 und HCl, um gleichzeitig ein CO2-Reduktionprodukt, z.B. CO, und Cl2 zu erzeugen;
- - bei der oben beschriebenen Herstellung von Ameisensäure, um eine Re-Oxidation der Ameisensäure an der Anode zu vermeiden;
- - bei der Verwendung von kupferbasierten Kathoden, die Alkene, Alkane, Alkohole und flüssige Oxygenate erzeugen;
- - bei beliebigen Kombinationen dieser Punkte
- - if anolyte and saline are not identical;
- in the co-electrolysis of CO 2 and HCl, to simultaneously produce a CO 2 reduction product, eg CO, and Cl 2 ;
- in the production of formic acid described above, in order to avoid a re-oxidation of the formic acid at the anode;
- using copper-based cathodes that produce alkenes, alkanes, alcohols, and liquid oxygenates;
- - with any combination of these points
Mit den erfindungsgemäßen Verfahren wird CO2 elektrolysiert, wobei jedoch nicht ausgeschlossen ist, dass auf Kathodenseite neben CO2 noch ein weiteres Edukt wie CO vorhanden ist, welches ebenfalls elektrolysiert werden kann, also ein Gemisch vorliegt, das CO2 umfasst, sowie beispielsweise CO. Beispielsweise enthält ein Edukt auf Kathodenseite mindestens 20 Vol.% CO2, z.B. mindestens 50 oder mindestens 70 Vol.% CO2, und insbesondere ist das Edukt auf Kathodenseite zu 100 Vol.% CO2.The process according to the invention CO 2 is electrolyzed, although it is not excluded that on the cathode side in addition to CO 2 another reactant such as CO is present, which can also be electrolyzed, ie a mixture is present, the CO 2 comprises, and for example CO. For example, an educt on the cathode side contains at least 20 vol.% CO 2 , for example at least 50 or at least 70 vol.% CO 2 , and in particular the educt on the cathode side to 100 vol.% CO 2 .
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Elektrolysezelle, umfassend
- - einen Kathodenraum umfassend eine Kathode;
- - eine erste Ionenaustauschermembran, welche einen Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter enthält und welche an den Kathodenraum angrenzt, wobei die Kathode die erste Ionenaustauschermembran direkt, bevorzugt auch ionisch, kontaktiert;
- - einen Anodenraum umfassend eine Anode; und
- - ein Diaphragma, welches an den Anodenraum angrenzt; weiter umfassend einen Salzbrückenraum, wobei der Salzbrückenraum zwischen der erste Ionenaustauschermembran und dem Diaphragma angeordnet ist.
- a cathode compartment comprising a cathode;
- a first ion exchange membrane which contains an anion exchanger and / or anion transporter and which adjoins the cathode space, the cathode contacting the first ion exchange membrane directly, preferably also ionically;
- an anode compartment comprising an anode; and
- a diaphragm adjacent to the anode compartment; further comprising a salt bridge space, wherein the salt bridge space between the first ion exchange membrane and the diaphragm is arranged.
Mit dieser Elektrolysezelle kann das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Folglich sind alle im Hinblick auf die erfindungsgemäßen Verfahren diskutierten Merkmale auch bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle anwendbar. Insbesondere der Kathodenraum, die Kathode, die erste Ionenaustauschermembran, der Anodenraum, die Anode, das Diaphragma und der Salzbrückenraum wurden bereits im Hinblick auf die erfindungsgemäßen Verfahren diskutiert. Die entsprechenden Merkmale können somit entsprechend den oben diskutierten in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle ausgeführt sein. Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle bzw. die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage finden also insbesondere im erfindungsgemäßen Verfahren zur Elektrolyse von CO2 Anwendung, weshalb Aspekte, welche im Zusammenhang mit diesen vorab und nachfolgend diskutiert werden, auch die erfindungsgemäße Elektrolysezelle bzw. die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage betreffen. Entsprechend können auch in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle und/oder Elektrolyseanlage das erfindungsgemäße Verfahren betreffen.With this electrolysis cell, the method according to the invention can be carried out according to the first aspect of the present invention. Consequently, all features discussed with regard to the inventive method are also applicable to the electrolysis cell according to the invention. In particular, the cathode compartment, the cathode, the first ion exchange membrane, the anode compartment, the anode, the diaphragm and the salt bridge compartment have already been discussed with regard to the methods according to the invention. The corresponding features can thus be embodied in accordance with the above-discussed in the electrolysis cell according to the invention. The electrolysis cell according to the invention or the electrolysis plant according to the invention are therefore used in particular in the process according to the invention for the electrolysis of CO 2 , which is why aspects which are discussed in connection with these in advance and below also relate to the electrolysis cell or the electrolysis plant according to the invention. Accordingly, in connection with the electrolytic cell and / or electrolysis system according to the invention may relate to the inventive method.
Beschrieben ist auch eine Elektrolysezelle, umfassend
- - einen Kathodenraum umfassend eine Kathode;
- - eine erste Ionenaustauschermembran, welche einen Anionenaustauscher und/oder Anionentransporter enthält und welche an den Kathodenraum angrenzt, wobei die Kathode die erste Ionenaustauschermembran direkt kontaktiert;
- - einen Anodenraum umfassend eine Anode; und
- - eine erste Separator-Membran, welche an den Anodenraum angrenzt;
- a cathode compartment comprising a cathode;
- a first ion exchange membrane containing an anion exchanger and / or anion transporter adjacent to the cathode compartment, the cathode directly contacting the first ion exchange membrane;
- an anode compartment comprising an anode; and
- a first separator membrane adjacent to the anode compartment;
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kontaktiert die Anode das Diaphragma. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Anode und/oder die Kathode auf der dem Salzbrückenraum abgewandten Seite mit einer leitfähigen Struktur kontaktiert. According to certain embodiments, the anode contacts the diaphragm. According to certain embodiments, the anode and / or the cathode are contacted with a conductive structure on the side facing away from the salt bridge space.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Kathode und/oder die Anode als Gasdiffusionselektrode, als poröse gebundene Katalysatorstruktur, als partikulärer Katalysator auf einem Träger, als Beschichtung eines partikulären Katalysators auf der ersten und/oder zweiten Ionenaustauschermembran, als poröser leitfähiger Träger, in den ein Katalysator imprägniert ist, und/oder als nicht geschlossenes Flächengebilde ausgebildet.According to certain embodiments, the cathode and / or the anode are impregnated as a gas diffusion electrode, as a porous bound catalyst structure, as a particulate catalyst on a support, as a coating of a particulate catalyst on the first and / or second ion exchange membrane, as a porous conductive support into which a catalyst is impregnated is, and / or formed as a non-closed sheet.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Kathode als Gasdiffusionselektrode, als poröse gebundene Katalysatorstruktur, als partikulärer Katalysator auf einem Träger, als Beschichtung eines partikulären Katalysators auf der ersten und/oder zweiten Ionenaustauschermembran, als poröser leitfähiger Träger, in den ein Katalysator imprägniert ist, und/oder als nicht geschlossenes Flächengebilde ausgebildet, welche(r/s) ein Anionenaustauschermaterial und/oder Anionentransportmaterial enthält, und/oder ist die Anode als Gasdiffusionselektrode, als poröse gebundene Katalysatorstruktur, als partikulärer Katalysator auf einem Träger, als Beschichtung eines partikulären Katalysators auf der ersten und/oder zweiten Ionenaustauschermembran, als poröser leitfähiger Träger, in den ein Katalysator imprägniert ist, und/oder als nicht geschlossenes Flächengebilde ausgebildet, welche(r/s) ein Kationenaustauschermaterial enthält.According to certain embodiments, the cathode is a gas diffusion electrode, a porous bonded catalyst structure, a particulate supported catalyst, a particulate catalyst coating on the first and / or second ion exchange membrane, a porous conductive support in which a catalyst is impregnated, and / or is formed as a non-closed sheet containing (r / s) an anion exchange material and / or Anionentransportmaterial, and / or the anode as a gas diffusion electrode, as a porous bound catalyst structure, as a particulate catalyst on a support, as a coating of a particulate catalyst on the first and or second ion exchange membrane, as a porous conductive support in which a catalyst is impregnated, and / or formed as a non-closed sheet containing (r / s) a cation exchange material.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die erste Ionenaustauschermembran und/oder das Diaphragma hydrophil sind.According to certain embodiments, the first ion exchange membrane and / or the diaphragm are hydrophilic.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der Salzbrückenraum eine flüssige und/oder gelöste Säure, wobei bevorzugt eine Säure der flüssigen und/oder gelösten Säure im Salzbrückenraum einen pKs-Wert von 6 oder weniger, bevorzugt 5 oder weniger, weiter bevorzugt 3 oder weniger, noch weiter bevorzugt 1 oder weniger, insbesondere bevorzugt 0 oder weniger, aufweist, wobei weiter bevorzugt die flüssige und/oder gelöste Säure ausgewählt ist aus verdünnter oder unverdünnter H2SO4, einer Lösung von H2N-SO2-OH, verdünnter oder unverdünnter HClO4, einer Lösung von H3PO4, verdünnter oder unverdünnter CF3-COOH, verdünnter oder unverdünnter CF3-SO2-OH, einer Lösung von (CF3-SO2)2-NH, einer Lösung von HF, verdünnter oder unverdünnter HCOOH, verdünnter oder unverdünnter CH3-COOH, einer Lösung von HCl, einer Lösung von HBr, einer Lösung von HI, und/oder Mischungen davon. Gemäß bestimmten Ausführungsformen besteht der Elektrolyt im Salzbrückenraum aus einer flüssigen und/oder gelösten Säure und ggf. unvermeidbaren Verunreinigungen.According to certain embodiments, the salt bridge space comprises a liquid and / or dissolved acid, wherein preferably an acid of the liquid and / or dissolved acid in the salt bridge space has a pK s value of 6 or less, preferably 5 or less, more preferably 3 or less, still further preferably 1 or less, more preferably 0 or less, more preferably the liquid and / or dissolved acid is selected from dilute or undiluted H 2 SO 4 , a solution of H 2 N-SO 2 -OH, dilute or undiluted HClO 4 , a solution of H 3 PO 4 , dilute or undiluted CF 3 -COOH, dilute or undiluted CF 3 -SO 2 -OH, a solution of (CF 3 -SO 2 ) 2 -NH, a solution of HF, dilute or undiluted HCOOH, dilute or undiluted CH 3 -COOH, a solution of HCl, a solution of HBr, a solution of HI, and / or mixtures thereof. According to certain embodiments, the electrolyte in the salt bridge space consists of a liquid and / or dissolved acid and possibly unavoidable impurities.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen enthält der Anodenraum eine Säure, die bevorzugt mit dem Elektrolyten in der Salzbrücke identisch ist, insbesondere falls die zweite Membran als Diaphragma ausgeführt ist.According to certain embodiments, the anode compartment contains an acid which is preferably identical to the electrolyte in the salt bridge, in particular if the second diaphragm is designed as a diaphragm.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Elektrolyseanlage, umfassend die erfindungsgemäße Elektrolysezelle. Die entsprechenden Ausführungsformen der Elektrolysezelle wie auch weitere beispielhafte Komponenten einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage wurden bereits oben diskutiert und sind somit auch auf die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage anwendbar. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Elektrolysezellen, wobei nicht ausgeschlossen ist, dass daneben noch andere Elektrolysezellen vorhanden sind.In a further aspect, the present invention relates to an electrolysis plant comprising the electrolysis cell according to the invention. The corresponding embodiments of the electrolysis cell as well as further exemplary components of an electrolysis plant according to the invention have already been discussed above and are therefore also applicable to the electrolysis plant according to the invention. According to certain embodiments, an electrolysis plant according to the invention comprises a multiplicity of electrolysis cells according to the invention, wherein it is not excluded that there are also other electrolysis cells in addition.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage weiter eine Rückführeinrichtung, die mit einer Abführung des Salzbrückenraums und einer Zuführung des Kathodenraums verbunden ist, welche dazu eingerichtet ist, ein Edukt der Kathodenreaktion, welches im Salzbrückenraum rückgebildet werden kann, insbesondere ein gasförmiges oder mit dem Elektrolyt nicht mischbares Edukt, wieder in den Kathodenraum zu führen, wie CO2, wobei dieses auch noch CO und/oder H2 enthalten kann..According to certain embodiments, the electrolysis plant according to the invention further comprises a recirculation device which is connected to a discharge of the salt bridge space and a supply of the cathode space, which is adapted to a reactant of the cathode reaction, which can be reformed in the salt bridge space, in particular a gaseous or not with the electrolyte miscible educt to lead back into the cathode compartment, such as CO 2 , which may also contain CO and / or H 2 ..
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage weiter eine externe Einrichtung zur Elektrolyt-Behandlung, insbesondere eine Vorrichtung zur Entfernung von gelösten Gasen aus einer Säure, mit der insbesondere der Anolyt und/oder der Elektrolyt im Salzbrückenraum behandelt werden, um beispielswiese Gase wie CO2 oder O2 zu entfernen, und so eine Rückführung von Anolyt und/oder dem Elektrolyt im Salzbrückenraum zu ermöglichen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn beide aus einem gemeinsamen Reservoir gepumpt werden, also nur ein gemeinsames Anolyt/Elektrolyt für Salzbrückenraum-Reservoir vorliegt, also der Anolyt und der Elektrolyt im Salzbrückenraum identisch sind. According to certain embodiments, the electrolysis plant according to the invention further comprises an external device for electrolyte treatment, in particular a device for removing dissolved gases from an acid, with which in particular the anolyte and / or the electrolyte are treated in the salt bridge space, for example, gases such as CO 2 or To remove O 2 , and thus to allow a return of anolyte and / or the electrolyte in the salt bridge space. This is particularly advantageous if both are pumped from a common reservoir, so there is only one common anolyte / electrolyte for salt bridge reservoir, so the anolyte and the electrolyte in the salt bridge space are identical.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage zwei getrennte Kreisläufe für Anolyt und Elektrolyt im Salzbrückenraum, welche ggf. getrennte Einrichtungen zur Elektrolyt-Behandlung, insbesondere Vorrichtungen zur Entfernung von gelösten Gasen aus einer Säure, aufweisen können, oder wobei nur der Kreislauf für den Elektrolyt im Salzbrückenraum eine entsprechende Einrichtung aufweist.According to certain embodiments, the electrolysis plant according to the invention comprises two separate circuits for anolyte and electrolyte in the salt bridge space, which may optionally have separate devices for electrolyte treatment, in particular devices for removing dissolved gases from an acid, or wherein only the circuit for the electrolyte in Salt bridge space has a corresponding device.
In einem noch weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle oder einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage zur Elektrolyse von CO2, welche auch eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Elektrolysezellen umfassen kann.In a still further aspect, the present invention relates to the use of an electrolysis cell according to the invention or an electrolysis plant according to the invention for the electrolysis of CO 2 , which may also comprise a plurality of electrolysis cells according to the invention.
Die obigen Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.The above embodiments, refinements and developments can, if appropriate, be combined with one another as desired. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention which have not been explicitly mentioned above or described below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.
Die Erfindung wird im Anschluss mit Bezug auf verschiedene Beispiele davon weiter im Detail erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.The invention will be further explained in detail with reference to various examples thereof. However, the invention is not limited to these examples.
BeispieleExamples
Beispiel 1:Example 1:
Der Aufbau der Elektrolysevorrichtung in Beispiel 1 ist angelehnt an den in
In diesem Ausführungsbeispiel wurde eine Drei-Kammer-Zelle verwendet. Als Kathode wurde eine mit Silber-Partikeln beschichtete Kohlenstoff-GDL: Freundenberg HL
Aus den Partikeln (90mg) wurde eine Dispersion mit dem Ionomer AS-
Ein 10cm2 Stück dieser Kathode wurde mechanisch auf eine AEM
Als Anode wurde ein mit IrO2 beschichtetes Ti Streckmetall mit 1x2mm Maschenweite verwendet. Als CEM wurde eine Nafion
Um einen ausreichenden mechanischen Anpressdruck zu gewährleisten, wurden fünf Polymer-Netze mit einer Maschenweite von 0.5mm in die Zelle integriert werden. Als Elektrolyt wurden im Salzbrückenraum
Zu Beginn des Experiments wurde die Zelle für 20min bei 4V eingefahren. Anschließend wurde die Zelle weitere 30 min bei 10mAcm-2 eingefahren. Im Anschluss wurde bei 10, 50, 100 und 150mAcm-2 sowohl die Menge als auch die Zusammensetzung der Gase in Spalt
Beobachtungen: observations:
Bei der niedrigsten Stromdichte 10mAcm-2 wurde keine Gasentwicklung im Salzbrückenraum II beobachtet. Bei den höheren Stromdichten 50, 100 und 150mAcm-2 wurde eine Gasentwicklung im Salzbrückenraum II beobachtet. Die gaschromatographische Analyse dieses Gases zeigte, dass es sich um reines CO2 > 98 Vol.% handelt. Der Anteil von CO in diesem Gas lag bei unter 1 Vol.‰. Der höchste H2-Anteil ergab sich zu ca. 1.5 Vol.%. Eine direkte Rückführung dieses Gases in den Kathoden-Feed ist also möglich.At the lowest current density 10mAcm -2 , no gas evolution was observed in salt bridge space II. At the higher current densities of 50, 100 and 150mAcm -2 , gas evolution was observed in salt bridge space II. Gas chromatographic analysis of this gas showed that it is pure CO 2 > 98 vol.%. The proportion of CO in this gas was less than 1 vol. ‰. The highest H 2 content resulted in about 1.5 vol.%. A direct return of this gas in the cathode feed is therefore possible.
Während der gesamten Versuchsdauer wurde kein signifikantes Durchdringen des Elektrolyten auf die Rückseite der Kathode beobachtet. Beim Auseinanderbauen der Zelle wurden weder Flüssigkeit noch Salzkristallite an der Elektrodenrückseite gefunden. Eine abschließende pH-Messung der Fülllösung des Blasenzählers B ergab eine pH ~ 5, was einen Durchtritt des Säure-Elektrolyten endgültig ausschließt.Throughout the experiment, no significant electrolyte penetration was observed on the back of the cathode. When disassembling the cell, neither liquid nor salt crystallites were found on the back of the electrode. A final pH measurement of the bubbler B's fill solution revealed a pH ~ 5, which definitively precludes passage of the acid electrolyte.
Die Versuchsergebnisse des Beispiels 1 sind in
Die Faraday-Effizienz für CO steigt in dieser Zelle stetig mit der Stromdichte an. Grund hierfür ist das oben beschriebene Transportmodell. Aufgrund der integrierten Spacer erwärmte sich der Elektrolyt in der Zelle auf ~60°C, was allerdings keinen negativen Einfluss auf die Selektivität hatte.The Faraday efficiency for CO increases steadily in this cell with the current density. The reason for this is the transport model described above. Due to the integrated spacer, the electrolyte in the cell warmed up to ~ 60 ° C, which had no negative influence on the selectivity.
Vergleichsbeispiel 1:Comparative Example 1
Der in Vergleichsbeispiel 1 verwendete Versuchsaufbau ist in
Für Stromdichten von 50 und 100mAcm-2 wurde als Elektrolyt im Salzbrückenraum 1M KHCO3 verwendet. Für 150mAcm-2 musste aus apparativen Gründen (Maximalspannung des Potentiostaten erreicht) auf eine 2M KHCO3 gewechselt werden.
Bei allen Stromdichten wurde mit einem dreifachem CO2 Überschuss gearbeitet.For current densities of 50 and 100mAcm -2 , 1M KHCO 3 was used as the electrolyte in the salt bridge space. For 150mAcm -2 it had to be changed to a 2M KHCO 3 for reasons of instrumentation (maximum voltage of the potentiostat).
At all current densities, a triple CO 2 excess was used.
Beobachtungen:observations:
Bei allen Stromdichten, war eine Gasentwicklung im Salzbrückenraum
Die Versuchsergebnisse des Vergleichsbeispiels
Wie in
Bei einem Vergleich zwischen dem Vergleichsbeispiel 1 (gepunktete Linien) und dem Ausführungsbeispiel (solide Linien) in
Vergleichsbeispiel 2:Comparative Example 2:
Eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus im Vergleichsbeispiel 2 ist in
Beobachtungen:observations:
Bei allen gemessenen Stromdichten wurde eine Gasentwicklung im Salzbrückenraum
Die Versuchsergebnisse des Vergleichsbeispiels 2 sind in
Beim in
Im Beispiel 1 sowie im Vergleichsbeispiel 2 ist beschrieben, dass bei der Verwendung von Säure-Elektrolyten keine Flüssigkeit durch die Kathode auf die dem Elektrolyten abgewandte Seite dringt. Über lange Betriebsdauern wäre jedoch ein Austritt von Flüssigkeit aus der GDE prinzipiell denkbar. Konstruktionsbedingt handelt es sich dabei dann nicht um eine konzentrierte Carbonat-Lösung, sondern um nahezu reines Wasser, insbesondere um keine Salzlösungen - wie im Fall Metallkation-haltiger Elektrolyte. Dieser Umstand bringt Vorteile in der Konstruktion der Zelle sowie bei der Auslegung des gesamten Elektrolyte Systems. Es konnte beobachtet werden, dass beispielsweise Titan-Kontakte bei Kontakt mit durch die Elektrode tretende Salzlösungen aufgrund des stark negativen Potentials korrodieren können. Als Folge verfärbt sich das Permeat blau (Ti3+). Die Titankorrosion ist hier als Ursache der Blaufärbung mittels Chromotropsäure bestätigt, und die kathodische Korrosion in Kontrollexperimenten nachgewiesen. Die Permeatflüssigkeiten (wenn überhaupt vorhanden) sind bei der hier vorgestellten erfindungsgemäßen Anordnung bzw. in den erfindungsgemäßen Verfahren nicht oder wenig elektrisch leitfähig. Die Kontakte sind zwar trotzdem einem stark negativen Potential ausgesetzt, aber nicht ionisch kontaktiert. Folglich treten derartige Korrosionsphänomene nicht oder stark eingeschränkt auf. Da es sich bei einer eventuell an der Elektrodenrückseite auftretenden Flüssigkeit um Wasser handelt, enthält diese keine Ionen, die den Elektrolyten zurückgeführt werden müssen. Diese Flüssigkeit kann daher einfach verworfen werden. Eventuell auftretende Korrosionsprodukte der Kontakte werden entsprechend nicht in die Elektrolyten gewaschen.In Example 1 and in Comparative Example 2 it is described that with the use of acid electrolyte no liquid penetrates through the cathode on the side facing away from the electrolyte. Over long operating periods, however, leakage of liquid from the GDE would in principle be conceivable. By design, this is not a concentrated carbonate solution, but almost pure water, in particular no salt solutions - as in the case of metal cation-containing electrolytes. This circumstance brings advantages in the construction of the cell as well as in the design of the entire electrolyte system. It has been observed, for example, that titanium contacts can corrode on contact with saline solutions passing through the electrode due to the highly negative potential. As a consequence, the permeate turns blue (Ti3 + ). The titanium corrosion is confirmed here as the cause of the blue coloration by means of chromotropic acid, and the cathodic corrosion detected in control experiments. The permeate liquids (if any) are not or little electrically conductive in the inventive arrangement presented here or in the inventive method. Although the contacts are still exposed to a strong negative potential, but not contacted ionic. Consequently, such corrosion phenomena do not occur or severely limited. Since any liquid that may be present on the backside of the electrode is water, it contains no ions that need to be returned to the electrolyte. This liquid can therefore simply be discarded. Any occurring corrosion products of the contacts are not washed accordingly in the electrolyte.
Referenzbeispiele 1 und 2Reference Examples 1 and 2
In den Referenzbeispielen 1 und 2 wurden die Auswirkungen eines niedrigen Anoden pH-Wertes auf die Zellspannung untersucht.Reference Examples 1 and 2 examined the effects of low anode pH on cell voltage.
Gemäß der Nernst-Gleichung ist das Potential der Oxidation von Wasser zu Sauerstoff vom pH-Wert des Elektrolyten abhängig.
Um die Zellspannung möglichst gering zu halten, empfiehlt sich also demnach ein möglichst hoher pH-Wert im Bereich der Anode. Dieser kann jedoch erfindungsgemäß unter der Rahmenbedingung einer CO2-freien Anode nur unter Verwendung einer Bipolar-Membran aufrechterhalten werden.In order to keep the cell voltage as low as possible, it is therefore advisable to have the highest possible pH value in the region of the anode. However, this can be maintained according to the invention under the general condition of a CO 2 -free anode using only a bipolar membrane.
Mit einer Kationenaustauschermembran oder einen Diaphragma würden die Kationen aus dem Anodenraum abtransportiert, was zu einer Absenkung des pH-Werts führen würde. Eine AnionenAustauscher-Membran an der Anode würde zum Eindringen von HCO3 - in den Anodenraum führen, was zur unerwünschten Vermischung des anodisch generierten Sauerstoffs mit CO2 führen würde.With a cation exchange membrane or a diaphragm, the cations would be removed from the anode compartment, which would lead to a lowering of the pH. An anion exchange membrane at the anode would lead to the penetration of HCO 3 - into the anode space, which would lead to the undesired mixing of the anodically generated oxygen with CO 2 .
Um einen konstanten Betrieb zu ermöglichen, wird eine Säure (außer bei Verwendung einer Bipolar-Membran) als Anolyt gewählt. Dies scheint aus Sicht der Zellspannung zunächst wenig vorteilhaft, da dieses Vorgehen zu einem hohen Wasseroxidations-Potential führt. Experimentell konnte jedoch gezeigt werden, dass die thermodynamischen Betrachtungen (nach der Nernst Gleichung) lediglich für den „onset“-Bereich (also den Bereich minimaler Stromdichten) gelten. Bei höheren Stromdichten wurde für eine saure Anode und eine pH-neutrale bis leicht basische Anode die gleich Zellspannung beobachtet.To allow for constant operation, an acid is chosen as the anolyte (except when using a bipolar membrane). From the point of view of cell voltage, this initially seems less advantageous, since this procedure leads to a high water oxidation potential. However, it has been shown experimentally that the thermodynamic considerations (according to the Nernst equation) apply only to the "onset" region (ie the range of minimum current densities). At higher current densities, the same cell voltage was observed for an acidic anode and a pH-neutral to slightly basic anode.
Zu diesem Zweck wurde ein einfaches Vergleichsexperiment durchgeführt. Zunächst wurde von einem einfachen Aufbau mit Säure-Anolyt und neutral gepufferter Salzbrücke
Es sei hier angemerkt, dass der Anolyt im Aufbau nach
Die
Wie aus
Dies zeigt eindeutig, dass für ein produktives Elektrolyse-System, das bei hohen Stromdichten betrieben wird, durch die Verwendung von Säuren als Anolyt keine Nachteile bezüglich der Zell-Spannung entstehen.This clearly shows that for a productive electrolysis system operated at high current densities, the use of acids as the anolyte does not cause any disadvantages in terms of cell voltage.
Auswirkungen der CO2 Freisetzung auf die Zellspannung:Effects of CO 2 release on cell voltage:
In den beiden Aufbauten der Referenzbeispiele kommt es zur CO2-Freisetzung aus HCO3 - in der Zelle. Im Falle des Aufbaus nach
Im Falle des Aufbaus nach
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin insbesondere angedacht, keine blanke Kathode zu verwenden, sondern einen Kathoden-AEM-Verbund. Für diese Konstruktionen wurde experimentell eine Überführungszahl für CO2 ≤ 0,55 beobachtet. Die Gasbelastung eines Salzbrückenraums ist also nur etwa halb so groß wie im vorliegenden Vergleichsbeispiel. Bis zu einer Stromdichte von 400mAcm-2 ist demnach in vergleichbaren Aufbauten nicht mit einer drastischen Erhöhung der Spannung durch diese Gasblasen zu rechnen.
Anders verhält es sich bei der Anode. Diese wird durch den Übergang von einem Säure-Anolyten zu einem Carbonat-haltigen, neutral gepufferten Elektrolyten mit der fünffachen Menge entstehender Gase belastet. Hierdurch können Teile der Anode isoliert und vom Elektrolyten, der gleichzeitig das Substrat darstellt, abgeschnitten werden. Im Bereich von 150-200mAcm-2 ist die Spannung für den Säure-Anolyten sogar geringer, was nicht zuletzt auf die hohe Gasbelastung der Anode (in Beiden Fällen ein nichtgeschlossenes Flächengebilde mit Katalysatorbeschichtung) zurückzuführen ist.For the purposes of the present invention, it is further particularly contemplated not to use a bare cathode, but a cathode AEM composite. For these constructions, a transport number for CO 2 ≤ 0.55 was observed experimentally. The gas load of a salt bridge space is thus only about half as large as in the present comparative example. Up to a current density of 400mAcm -2 is therefore not to be expected in comparable structures with a drastic increase in the voltage through these gas bubbles.
The situation is different with the anode. This is burdened by the transition from an acid anolyte to a carbonate-containing, neutral-buffered electrolyte with five times the amount of gases produced. As a result, parts of the anode can be isolated and cut off from the electrolyte, which simultaneously represents the substrate. In the region of 150-200mAcm -2 , the voltage for the acid anolyte is even lower, which is due not least to the high gas load of the anode (in both cases a non-closed area with catalyst coating).
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, flüssige und/oder gelöste Säuren, insbesondere reine, Säuren als Elektrolyte für die CO2 Elektrolyse bei hohen Stromdichten und gleichzeitig hohen Faraday-Effizienten zu verwenden. Daneben wurde mit einem Dreikammeraufbau mit erster Ionenaustauschermembran und Diaphragma, z.B. einer AEM-Diaphragma-Doppelseparator-Zelle, ein neuer Zelltyp eingeführt.The present invention is characterized by using liquid and / or dissolved acids, in particular pure, acids as electrolytes for CO 2 electrolysis at high current densities and at the same time high Faraday efficiency. In addition, a new cell type was introduced with a three-chamber design with a first ion exchange membrane and a diaphragm, for example an AEM diaphragm double-separator cell.
Es ergeben sich unter anderem folgende Vorteile gegenüber bisherigen Ausführungsformen:
- - Keine CO2-Freisetzung an der Anode, nur O2 bzw. andere anodische Produkte
- - CO2 wird in einer separaten Kammer freigesetzt und kann rückgeführt werden.
- - Keine Salzausscheidung
- - Faraday-Effizienz der CO Erzeugung nimmt mit steigender Stromdichte zu
- - Kein oder nur sehr wenig Permeat in den Gasraum des Kathodenraums
- - Bei Verwendung der gleichen Säure im Anodenraum und in der Salzbrücke reicht ein Diaphragma zur Trennung von Anodengas und CO2.
- - Anwendbar auch auf die Herstellung anderer CO2 Reduktionsprodukte (z.B. Ameisensäure)
- - No CO 2 release at the anode, only O 2 or other anodic products
- - CO 2 is released in a separate chamber and can be recycled.
- - No salt excretion
- - Faraday efficiency of CO generation increases with increasing current density
- - No or very little permeate into the gas space of the cathode compartment
- - When using the same acid in the anode compartment and in the salt bridge, a diaphragm is sufficient to separate anode gas and CO 2 .
- - Also applicable to the production of other CO 2 reduction products (eg formic acid)
Zudem wird eine CO2-freie Anode nicht durch die Konstruktion der anodische Halbzelle, sondern durch die der kathodischen Halbzelle erhalten. Dieses Ergebnis ist völlig unerwartet und basiert auf dem Mechanismus des anionbasierten Ladungstransports, kompensiert durch ortsfeste positive Ladungen.In addition, a CO 2 -free anode is not obtained by the construction of the anodic half-cell but by that of the cathodic half-cell. This result is completely unexpected and is based on the mechanism of anion-based charge transport compensated by fixed positive charges.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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