DE102019201153A1 - Process for the energy-efficient production of CO - Google Patents

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Nemanja Martic
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Thomas Reichbauer
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von CO aus CO, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a method for producing CO from CO, and an apparatus for performing the method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von CO aus CO2, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a method for producing CO from CO 2 and an apparatus for carrying out the method.

Stand der TechnikState of the art

Aktuell wird ca. 80 % des weltweiten Energiebedarfs durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen gedeckt, deren Verbrennungsprozesse eine weltweite Emission von etwa 34000 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre pro Jahr verursacht. Durch diese Freisetzung in die Atmosphäre wird der Großteil an Kohlenstoffdioxid entsorgt, was z.B. bei einem Braunkohlekraftwerk bis zu 50000 Tonnen pro Tag betragen kann. Kohlenstoffdioxid gehört zu den sogenannten Treibhausgasen, deren negative Auswirkungen auf die Atmosphäre und das Klima diskutiert werden. Eine technische Herausforderung ist es, aus CO2, Wertprodukte herzustellen. Da Kohlenstoffdioxid thermodynamisch sehr niedrig liegt, kann es nur schwierig zu wiederverwertbaren Produkten reduziert werden, was die tatsächliche Wiederverwertung von Kohlenstoffdioxid bisher in der Theorie beziehungsweise in der akademischen Welt belassen hat.Approximately 80% of the world's energy requirements are currently covered by the combustion of fossil fuels, the combustion processes of which cause around 34,000 million tons of carbon dioxide to be emitted into the atmosphere each year. As a result of this release into the atmosphere, most of the carbon dioxide is disposed of, which can be up to 50,000 tons per day, for example in a brown coal power plant. Carbon dioxide is one of the so-called greenhouse gases, the negative effects on the atmosphere and the climate are discussed. It is a technical challenge to produce valuable products from CO 2 . Since carbon dioxide is thermodynamically very low, it is difficult to reduce it to recyclable products, which has so far left the actual recycling of carbon dioxide in theory or in the academic world.

Ein natürlicher Kohlenstoffdioxid-Abbau erfolgt beispielsweise durch Fotosynthese. Dabei werden in einem zeitlich und auf molekularer Ebene räumlich in viele Teilschritte aufgegliederten Prozess Kohlenstoffdioxid zu Kohlehydraten umgesetzt. Dieser Prozess ist so nicht einfach großtechnisch adaptierbar. Eine Kopie des natürlichen Fotosyntheseprozesses mit großtechnischer Fotokatalyse ist bisher nicht ausreichend effizient.Natural carbon dioxide degradation takes place, for example, through photosynthesis. In this process, carbon dioxide is converted into carbohydrates in a process that is broken down into many sub-steps in terms of time and at the molecular level. This process is not easily adaptable on an industrial scale. A copy of the natural photosynthesis process with large-scale photo catalysis has not been sufficiently efficient so far.

Eine Alternative stellt die elektrochemische Reduktion des Kohlenstoffdioxids dar. 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: C. Vayenas, et al. (Eds.), Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, New York, 2008, pp. 89-189, können beispielsweise Faraday Effizienzen an unterschiedlichen Metallkathoden entnommen werden, siehe Tabelle 1, welche daraus entnommen ist. Tabelle 1: Faraday Effizienzen für CO2 an verschiedenen Elektroden Elektrode CH4 C2H4 C2H5OH C3H7OH CO HCOO- H2 Total Cu 33.3 25.5 5.7 3.0 1.3 9.4 20.5 103.5 Au 0.0 0.0 0.0 0.0 87.1 0.7 10.2 98.0 Ag 0.0 0.0 0.0 0.0 81.5 0.8 12.4 94.6 Zn 0.0 0.0 0.0 0.0 79.4 6.1 9.9 95.4 Pd 2.9 0.0 0.0 0.0 28.3 2.8 26.2 60.2 Ga 0.0 0.0 0.0 0.0 23.2 0.0 79.0 102.0 Pb 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 97.4 5.0 102.4 Hg 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 99.5 0.0 99.5 In 0.0 0.0 0.0 0.0 2.1 94.9 3.3 100.3 Sn 0.0 0.0 0.0 0.0 7.1 88.4 4.6 100.1 Cd 1.3 0.0 0.0 0.0 13.9 78.4 9.4 103.0 Tl 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 95.1 6.2 101.3 Ni 1.8 0.1 0.0 0.0 0.0 1.4 88.9 92.4 Fe 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 94.8 94.8 Pt 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.1 95.7 95.8 Ti 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 99.7 99.7 An alternative is the electrochemical reduction of carbon dioxide. Systematic studies of the electrochemical reduction of carbon dioxide are still a relatively young field of development. Only a few years ago there have been efforts to develop an electrochemical system that can reduce an acceptable amount of carbon dioxide. Laboratory-scale research has shown that metals are preferred as catalysts for the electrolysis of carbon dioxide. From the publication Electrochemical CO 2 reduction on metal electrodes by Y. Hori, published in: C. Vayenas, et al. (Eds.), Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, New York, 2008, pp. 89-189, Faraday efficiencies can be found on different metal cathodes, see Table 1, which is taken from it. Table 1: Faraday efficiencies for CO 2 on different electrodes electrode CH 4 C 2 H 4 C 2 H 5 OH C 3 H 7 OH CO HCOO - H 2 Total Cu 33.3 25.5 5.7 3.0 1.3 9.4 20.5 103.5 Au 0.0 0.0 0.0 0.0 87.1 0.7 10.2 98.0 Ag 0.0 0.0 0.0 0.0 81.5 0.8 12.4 94.6 Zn 0.0 0.0 0.0 0.0 79.4 6.1 9.9 95.4 Pd 2.9 0.0 0.0 0.0 28.3 2.8 26.2 60.2 Ga 0.0 0.0 0.0 0.0 23.2 0.0 79.0 102.0 Pb 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 97.4 5.0 102.4 Ed 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 99.5 0.0 99.5 In 0.0 0.0 0.0 0.0 2.1 94.9 3.3 100.3 Sn 0.0 0.0 0.0 0.0 7.1 88.4 4.6 100.1 CD 1.3 0.0 0.0 0.0 13.9 78.4 9.4 103.0 Tl 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 95.1 6.2 101.3 Ni 1.8 0.1 0.0 0.0 0.0 1.4 88.9 92.4 Fe 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 94.8 94.8 Pt 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.1 95.7 95.8 Ti 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 99.7 99.7

In Tabelle 1 sind Faraday Effizienzen FE [%] von Produkten angegeben, die bei der Kohlenstoffdioxid-Reduktion an verschiedenen Metallelektroden entstehen. Die angegebenen Werte gelten für eine 0,1 M Kaliumhydrogencarbonatlösung als Elektrolyten. In Table 1, Faraday efficiencies FE [%] of products are shown that result from the reduction of carbon dioxide on various metal electrodes. The values given apply to a 0.1 M potassium bicarbonate solution as the electrolyte.

Wird Kohlenstoffdioxid beispielsweise an Silber-, Gold-, Zink-, Palladium- und Galliumkathoden nahezu ausschließlich zu Kohlenstoffmonoxid reduziert, entstehen an einer Kupferkathode, eine Vielzahl an Kohlenwasserstoffen als Reaktionsprodukte.If, for example, carbon dioxide is almost exclusively reduced to carbon monoxide on silver, gold, zinc, palladium and gallium cathodes, a large number of hydrocarbons are formed as reaction products on a copper cathode.

So würden beispielsweise an einer Silberkathode überwiegend Kohlenmonoxid und wenig Wasserstoff entstehen. Die Reaktionen an Anode (mit Wasser) und Kathode können mit folgenden Reaktionsgleichungen dargestellt werden:

  • Kathode: 2 CO2 + 4 e- + 4H+ → 2 CO + 2 H2O
  • Anode: 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e-
For example, carbon monoxide and little hydrogen would predominantly be produced on a silver cathode. The reactions at the anode (with water) and cathode can be represented with the following reaction equations:
  • Cathode: 2 CO 2 + 4 e - + 4H + → 2 CO + 2 H 2 O
  • Anode: 2 H 2 O → O 2 + 4 H + + 4 e -

Von besonderem wirtschaftlichem Interesse ist beispielsweise die elektrochemische Erzeugung von Kohlenstoffmonoxid, Ethylen oder Alkoholen.For example, the electrochemical production of carbon monoxide, ethylene or alcohols is of particular economic interest.

Beispiele:

  • Kohlenmonoxid: CO2 + 2 e- + H2O ➙ CO + 2 OH-
  • Ethylen: 2 CO2 + 12 e- + 8 H2O ➙ C2H4 + 12 OH-
  • Methan: CO2 + 8 e- + 6 H2O ➙ CH4 + 8 OH-
  • Ethanol: 2 CO2 + 12 e- + 9 H2O ➙ C2H5OH + 12 OH-
  • Monoethylenglykol: 2 CO2 + 10 e- + 8 H2O ➙ HOC2H4OH + 10 OH-
Examples:
  • Carbon monoxide: CO 2 + 2 e - + H 2 O ➙ CO + 2 OH -
  • Ethylene: 2 CO 2 + 12 e - + 8 H 2 O ➙ C 2 H 4 + 12 OH -
  • Methane: CO 2 + 8 e - + 6 H 2 O ➙ CH 4 + 8 OH -
  • Ethanol: 2 CO 2 + 12 e - + 9 H 2 O ➙ C 2 H 5 OH + 12 OH -
  • Monoethylene glycol: 2 CO 2 + 10 e - + 8 H 2 O ➙ HOC 2 H 4 OH + 10 OH -

Die Energieeffizienz der einstufigen elektrochemischen Reduktion von CO2 hängt neben den Überspannungen an den Elektroden, ohmschen Verlusten im Elektrolyten und/oder an den Membranen auch von der gewählten Betriebsweise der Elektrolysezelle (-stacks) ab, da die Elektrolysezelle unsymmetrisch betrieben wird. An der Kathode wird beispielsweise CO2 reduziert und an der Anode H2O oxidiert. Zur Gewährleistung eines kontinuierlichen Dauerbetriebs müssen auch die Nebenreaktionen bzw. Pufferreaktionen der Reaktionsbeiprodukte (Hydroxid, Proton, Hydrogencarbonatbildung) betrachtet werden.The energy efficiency of the one-step electrochemical reduction of CO 2 depends not only on the overvoltages on the electrodes, ohmic losses in the electrolyte and / or on the membranes, but also on the selected mode of operation of the electrolysis cell (stack), since the electrolysis cell is operated asymmetrically. For example, CO 2 is reduced at the cathode and H 2 O is oxidized at the anode. To ensure continuous continuous operation, the side reactions or buffer reactions of the reaction by-products (hydroxide, proton, hydrogen carbonate formation) must also be considered.

Die Minimalspannung einer Zelle kann aus der Verbrennungsenthalpie von CO zu CO2 abgeleitet werden, da die Elektrolyse rein formell die Umkehrung der Verbrennung darstellt. Analog gelten diese Betrachtungen natürlich auch für andere mögliche Reaktionsprodukte der elektrochemischen CO2-Reduktion wie Ethylen, Ethanol, Methan, Actetat, Ameisensäure, Formiat etc.The minimum voltage of a cell can be derived from the enthalpy of combustion from CO to CO 2 , since electrolysis is purely formally the reversal of the combustion. Analogously, these considerations naturally also apply to other possible reaction products for electrochemical CO 2 reduction, such as ethylene, ethanol, methane, acetate, formic acid, formate, etc.

Dies wird im Folgenden theoretisch betrachtet.This is considered theoretically below.

Da sich Elektrolyseure nicht im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung befinden und daher adiabatisch betrieben werden, wird für diese theoretischen Betrachtungen im Folgenden mit Reaktionsenthalpien ΔH gerechnet.Since electrolysers are not in thermal equilibrium with their environment and are therefore operated adiabatically, reaction enthalpies ΔH are used for these theoretical considerations.

Prinzipiell liefert eine Rechnung mit freien Reaktionsenthalpien ΔG das gleiche Ergebnis. CO2 → CO + ½ O2    ΔH = 283, 16 kJ/mol CO In principle, a calculation with free reaction enthalpies ΔG gives the same result. CO 2 → CO + ½ O 2 ΔH = 283, 16 kJ / mol CO

Dividiert man diese Zahl durch die Faraday-Konstante (96485,33289 C/mol) und die Zahl der übertragenen Elektronen (z = 2), erhält man die Minimalspannung für die Reaktion von 1,47 V.Dividing this number by the Faraday constant (96485.33289 C / mol) and the number of electrons transferred (z = 2) gives the minimum voltage for the reaction of 1.47 V.

Bei Betriebsweisen, wie sie in „Technical photosynthesis involving CO2 electrolysis and fermentation“, Thomas Haas, Ralf Krause, Rainer Weber, Martin Demler und Guenter Schmid, Nature Catalysis, Vol 1, JAN 2018 | 32-39, https://doi.org/10.1038/s41929-017-0005-1 vorgestellt werden, liegen die Minimalspannungen der Einzelzelle etwas über 2 V, wenn man die I-V-Kennlinien von Stromdichten im Bereich mehrerer 100 mA/cm2 auf einen Strom von 0 mA/cm2 extrapoliert.For modes of operation as described in "Technical photosynthesis involving CO 2 electrolysis and fermentation", Thomas Haas, Ralf Krause, Rainer Weber, Martin Demler and Guenter Schmid, Nature Catalysis, Vol 1, JAN 2018 | 32-39, https://doi.org/10.1038/s41929-017-0005-1 are presented, the minimum voltages of the single cell are slightly above 2 V if the IV characteristics of current densities are in the range of several 100 mA / cm 2 extrapolated to a current of 0 mA / cm 2 .

Bei sehr kleinen Stromdichten im Bereich weit unterhalb von 1 mA/cm2 ergibt die gleiche Extrapolation Spannungen im Bereich von 1.5V, wie aus Rosen, B. A.; Salehi-Khojin, A.; Thorson, M. R.; Zhu, W.; Whipple, D. T.; Kenis, P. J.; Masel, R. I., „Ionic liquid-mediated selective conversion of CO2 to CO at low overpotentials“, Science 2011, 334 (6056), 643-4 entnommen werden kann. Darin wird das Verhalten durch einen cokatalytischen Effekt der als Elektrolyt verwendeten ionischen Flüssigkeit erklärt.With very small current densities in the range far below 1 mA / cm 2 , the same extrapolation results in voltages in the range of 1.5V as from Rosen, BA; Salehi-Khojin, A .; Thorson, MR; Zhu, W .; Whipple, DT; Kenis, PJ; Masel, RI, "Ionic liquid-mediated selective conversion of CO 2 to CO at low overpotentials", Science 2011, 334 (6056), 643-4. The behavior is explained by a cocatalytic effect of the ionic liquid used as the electrolyte.

Dieser konnte jedoch in eigenen Experimenten bei Stromdichten oberhalb von 50 - 100mA/cm2 nicht bestätigt werden, wie in Neubauer, S. S.; Schmid, B.; Reller, C.; Guldi, D. M.; Schmid, G., „Alkalinity Initiated Decomposition of Mediating Imidazolium Ions in High Current Density CO2 Electrolysis“, Chemelectrochem 2017, 4 (1), 160-167 berichtet.However, this could not be confirmed in our own experiments at current densities above 50-100 mA / cm 2 , as in Neubauer, SS; Schmid, B .; Reller, C .; Guldi, DM; Schmid, G., "Alkalinity Initiated Decomposition of Mediating Imidazolium Ions in High Current Density CO 2 Electrolysis", Chemelectrochem 2017, 4 (1), 160-167 reports.

Eine Erklärung dieser Beobachtung kann die Betrachtung der Halbzellpotentiale unter Einbeziehung der wässrigen Elektrolytlösung liefern.An explanation of this observation can be provided by considering the half-cell potentials including the aqueous electrolyte solution.

Als Anodenreaktion wird im Folgenden immer die Wasseroxidation mit dem im Folgenden abgeleiteten Halbzellpotential betrachtet. 2 H2O - 4e- → O2 + 4H+    ΔH = 571, 7 kJ The water oxidation with the half-cell potential derived below is always considered as an anode reaction. 2 H 2 O - 4e- → O 2 + 4H + ΔH = 571.7 kJ

Mit z = 4 erhält man UA = 1,48 V.With z = 4 one obtains U A = 1.48 V.

Die Kathodenreaktion zur Erzeugung von Kohlenmonoxid lautet: CO2 + H2O + 2e- → CO + 2OH- ΔH = 108, 8 kJ The cathode reaction to produce carbon monoxide is: CO 2 + H 2 O + 2e- → CO + 2OH - ΔH = 108.8 kJ

Mit z = 2 erhält man UK = 0,56 VWith z = 2 one obtains U K = 0.56 V.

Die Zellspannung ergibt sich aus UZ = UA + UK = 2,04 V.The cell voltage results from U Z = U A + U K = 2.04 V.

Die verwendete Darstellung entspricht hierbei nicht der Konvention, da normalerweise gilt ΔH = -z·F·E. Das Minuszeichen wird jedoch der Übersichtlichkeit weggelassen. Die erhaltene Spannung hat daher das gleiche Vorzeichen wie ΔH, sodass die Argumentation leichter verständlich wird.The representation used does not correspond to the convention, since ΔH = -z · F · E normally applies. However, the minus sign is omitted for clarity. The voltage obtained therefore has the same sign as ΔH, so that the reasoning is easier to understand.

Bildet man die Summe aus Kathoden- und Anodenreaktion und stellt die Stöchiometrie richtig ergibt sich eine Zellspannung für die Reaktion 2 CO2 → 2 CO + O2 in wässrigen Medien zu 2,04 V, im Gegensatz zu 1,47 V bei der Gasphasenbetrachtung. Dies bedeutet, dass bei der CO2 Reduktion zu CO in wässrigen Medien auch rein thermodynamisch betrachtet mehr elektrische Energie aufgewendet werden muss als für die eigentliche Reduktion benötigt werden würde.If the sum of the cathode and anode reactions is formed and the stoichiometry is correct, the cell voltage for the reaction 2 CO 2 → 2 CO + O 2 in aqueous media is 2.04 V, in contrast to 1.47 V in the gas phase analysis. This means that when CO 2 is reduced to CO in aqueous media, purely thermodynamically speaking, more electrical energy must be used than would be required for the actual reduction.

Diese Energie wird im Kathodenraum, wie in „Technical photosynthesis involving CO2 electrolysis and fermentation“, Thomas Haas, Ralf Krause, Rainer Weber, Martin Demler und Guenter Schmid, Nature Catalysis, Vol 1, JAN 2018 | 32-39 beschrieben, als thermische Energie durch die Absorption von CO2 wieder frei: OH- + CO2 → HCO3 -, ΔH = 66, 37 kJ. Mit z = 1 kann man dies einem Potential von 0,69 V zuordnen.This energy is generated in the cathode compartment, as in "Technical photosynthesis involving CO 2 electrolysis and fermentation", Thomas Haas, Ralf Krause, Rainer Weber, Martin Demler and Guenter Schmid, Nature Catalysis, Vol 1, JAN 2018 | 32-39 described as thermal energy released by the absorption of CO 2 : OH - + CO 2 → HCO 3 - , ΔH = 66, 37 kJ. With z = 1 this can be assigned to a potential of 0.69 V.

Ein Teil dieser thermischen Energie kann verwendet werden, um im Anodenraum aus Hydrogencarbonat wieder CO2 zu zersetzen: H+ + HCO3 - → CO2 + H2O    ΔH = 10,57 kJ. Mit z = 1 kann man dies einem Potential von 0,11 V zuordnen. Dies bedeutet, dass - wenn man die thermische Energiebilanz in Kathoden- und Anodenraum zusammenfasst - mindestens die Neutralisationsenergie zusätzlich zur thermodynamischen Zersetzungsspannung als elektrische Energie aufgebracht werden muss, wenn die Reduktion von CO2 zu CO in wässrigen Medien durchgeführt werden soll. H+ + OH- → H2O,    ΔH = - 55,86 kJ Some of this thermal energy can be used to decompose CO 2 in the anode compartment from hydrogen carbonate: H + + HCO 3 - → CO 2 + H 2 O ΔH = 10.57 kJ. With z = 1 this can be assigned to a potential of 0.11 V. This means that - if you summarize the thermal energy balance in the cathode and anode compartment - at least the neutralization energy must be applied as electrical energy in addition to the thermodynamic decomposition voltage if the reduction of CO 2 to CO is to be carried out in aqueous media. H + + OH - → H 2 O, ΔH = - 55.86 kJ

Mit z = 1 kann man dies einem Potential von -0.58 V zuordnen.With z = 1 this can be assigned to a potential of -0.58 V.

Anders ausgedrückt: elektrische Energie wird ungewollt in thermische Abwärme umgewandelt. Leider befindet sich diese Abwärme auf dem schwer nutzbaren Temperaturniveau unterhalb von 100°C und kann damit üblicherweise als unvermeidbarer Verlust betrachtet werden.In other words: electrical energy is unintentionally converted into thermal waste heat. Unfortunately, this waste heat is at the difficult-to-use temperature level below 100 ° C and can usually be regarded as an inevitable loss.

Neben der Elektrolyse in wässrigen Medien gibt es auch eine Hochtemperaturvariante, die von der Firma Haldor Topsoe verfolgt wird. Da der Hauptladungsträger O2- hier direkt von Kathode zu Anode transportiert wird, tritt der thermische Energieverlust hier nicht auf. Weil die Technologie auf brüchigen keramischen Materialien basiert erscheint eine Skalierung in den Megawatt-Bereich schwierig. Zudem sorgen die hohen Betriebstemperaturen für zusätzlichen thermischen Stress, der die Langzeitstabilität des Betriebs erschwert.
Kathodenreaktion: CO2 + 2e- → CO + O2--    ΔH = 1249, 47 kJ
In addition to electrolysis in aqueous media, there is also a high-temperature variant that is followed by the Haldor Topsoe company. Since the main charge carrier O 2- is transported directly from cathode to anode here, the thermal energy loss does not occur here. Because the technology on fragile ceramic Based on materials, it seems difficult to scale into the megawatt range. In addition, the high operating temperatures create additional thermal stress, which complicates the long-term stability of the operation.
Cathode reaction : CO 2 + 2e - → CO + O 2-- ΔH = 1249, 47 kJ

Mit z = 2 erhält man UK = 6,48 V
Anodenreaktion: 2 O2- - 4e- → O2    ΔH = -1933,01 kJ
With z = 2 one obtains U K = 6.48 V.
Anode reaction: 2 O 2- - 4e - → O 2 ΔH = -1933.01 kJ

Mit z = 4 erhält man UA = -5,01 V.With z = 4 one obtains U A = -5.01 V.

Damit beträgt die Zellspannung erwartungsgemäß 1,47 V.As expected, the cell voltage is 1.47 V.

Aufgabe der vorliegenden Erfindungsmeldung ist es, die Umwandlung wertvoller elektrischer Energie in thermische Abwärme durch eine geeignete Sequenz elektrochemischer und thermischer Prozesse weitestgehend zu vermeiden, ohne auf ein komplexes Verfahren zurückzugehen, welches hochkomplex und nur schwer skalierbar ist.The object of the present application for the invention is to largely avoid converting valuable electrical energy into thermal waste heat by means of a suitable sequence of electrochemical and thermal processes, without going back to a complex process which is highly complex and difficult to scale.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die Erfinder haben gefunden, dass die Abwärme sowie ein Energieverlust verringert bzw. sogar vermieden werden kann, wenn man die Erzeugung des CO von der Kathodenreaktion entkoppelt.The inventors have found that the waste heat and energy loss can be reduced or even avoided if the generation of the CO is decoupled from the cathode reaction.

In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von CO aus CO2 umfassend elektrolytische Umsetzung eines Edukts umfassend CO2 zu einer Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat in einer ersten Elektrolysezelle,
Abführen der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat,
Einbringen der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat in einen ersten Reaktor, und
Freisetzen eines Produkts umfassend CO aus der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat in dem ersten Reaktor.
In a first aspect, the present invention relates to a method for producing CO from CO 2 comprising electrolytic conversion of a starting material comprising CO 2 to a mixture comprising formic acid and / or formate in a first electrolytic cell,
Removing the mixture comprising formic acid and / or formate,
Introducing the mixture comprising formic acid and / or formate into a first reactor, and
Releasing a product comprising CO from the mixture comprising formic acid and / or formate in the first reactor.

Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur elektrolytischen Umsetzung eines Edukts umfassend CO zu einem Gemisch umfassend mindestens einen Kohlenwasserstoff, wobei die Umsetzung in Anwesenheit eines basischen Elektrolyten erfolgt, bevorzugt wobei die Anode Fe, Ni und/oder NiFe umfasst.In addition, the invention relates to a process for the electrolytic conversion of a starting material comprising CO to a mixture comprising at least one hydrocarbon, the reaction taking place in the presence of a basic electrolyte, preferably the anode comprising Fe, Ni and / or NiFe.

Daneben ist eine Vorrichtung zum Herstellen von CO aus CO2 offenbart, umfassend
eine erste Elektrolysezelle umfassend eine erste Kathode und eine erste Anode zur elektrolytischen Umsetzung eines Edukts umfassend CO2 zu einer Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, die dazu ausgebildet ist, ein Edukt umfassend CO2 zu einer Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat umzusetzen;
eine erste Zuführeinrichtung für ein Edukt umfassend CO2 zur ersten Elektrolysezelle, die mit der ersten Elektrolysezelle dazu ausgebildet ist, ein Edukt umfassend CO2 der ersten Kathode zuzuführen;
eine erste Abführeinrichtung für eine Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, die mit der ersten Elektrolysezelle in einem Bereich zwischen der ersten Kathode und der ersten Anode verbunden ist und die dazu ausgebildet ist, eine Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat aus der ersten Elektrolysezelle abzuführen;
einen ersten Reaktor zum Freisetzen eines Produkts umfassend CO aus der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, der dazu ausgebildet ist, ein Produkt umfassend CO aus der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat freizusetzen;
eine zweite Zuführeinrichtung für die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, die mit dem ersten Reaktor verbunden ist und dazu ausgebildet ist, die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat dem ersten Reaktor zuzuführen; und
eine zweite Abführeinrichtung zum Abführen des Produkts umfassend CO aus dem ersten Reaktor, die dazu ausgebildet ist, das Produkt umfassend CO aus dem ersten Reaktor abzuführen.
In addition, a device for producing CO from CO 2 is disclosed, comprising
a first electrolytic cell comprising comprising CO 2 comprising CO 2 comprising implementing a first cathode and a first anode for the electrolytic reaction of a reactant to a mixture comprising formic acid and / or formate, which is formed to be a starting material to a mixture of formic acid and / or formate;
a first supply device for an educt comprising CO 2 to the first electrolytic cell, which is designed with the first electrolytic cell to supply an educt comprising CO 2 to the first cathode;
a first discharge device for a mixture comprising formic acid and / or formate, which is connected to the first electrolytic cell in a region between the first cathode and the first anode and which is designed to discharge a mixture comprising formic acid and / or formate from the first electrolytic cell ;
a first reactor for releasing a product comprising CO from the mixture comprising formic acid and / or formate, which is designed to release a product comprising CO from the mixture comprising formic acid and / or formate;
a second feed device for the mixture comprising formic acid and / or formate, which is connected to the first reactor and is designed to feed the mixture comprising formic acid and / or formate to the first reactor; and
a second discharge device for discharging the product comprising CO from the first reactor, which is designed to discharge the product comprising CO from the first reactor.

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.

FigurenlisteFigure list

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.

  • 1 bis 4 zeigen schematisch theoretische Stufen der elektrochemischen Umsetzung von CO2 zu CO.
  • 5 bis 8 zeigen schematisch theoretische Stufen der elektrochemischen Umsetzung von CO2 im Sauren.
  • In 9 bis 12 sind schematisch energetische Betrachtungen für die Umsetzung von CO2 zu CO über verschiedene elektrochemische Wege gezeigt.
  • 13 zeigt schematisch eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen von CO aus CO2.
  • Den 14 bis 16 können Ergebnisse aus Referenzmessungen in den erfindungsgemäßen Beispielen entnommen werden.
The accompanying drawings are intended to illustrate and provide further understanding of embodiments of the present invention. In connection with the description they serve the Explanation of concepts and principles of the invention. Other embodiments and many of the advantages mentioned result from the drawings. The elements of the drawings are not necessarily drawn to scale with respect to one another. Identical, functionally identical and identically acting elements, features and components are provided with the same reference symbols in the figures of the drawings, unless stated otherwise.
  • 1 to 4th schematically show theoretical stages of the electrochemical conversion of CO 2 to CO.
  • 5 to 8th schematically show theoretical stages of the electrochemical conversion of CO 2 in acid.
  • In 9 to 12th energetic considerations for the conversion of CO 2 to CO via different electrochemical routes are shown schematically.
  • 13 schematically shows an exemplary device according to the invention for producing CO from CO 2 .
  • The 14 to 16 results can be taken from reference measurements in the examples according to the invention.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung DefinitionenDetailed Description of the Invention Definitions

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 otherwise defined, technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art.

Mengenangaben im Rahmen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Gew.%, soweit nicht anderweitig angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich ist.Quantities in the context of the present invention relate to% by weight, unless stated otherwise or can be seen from the context.

Als hydrophob wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung wasserabweisend verstanden. Hydrophobe Poren und/oder Kanäle sind also solche, welche Wasser abweisen. Insbesondere sind hydrophoben Eigenschaften erfindungsgemäß mit Stoffen bzw. Molekülen mit unpolaren Gruppen assoziiert.In the context of the present invention, hydrophobic is understood to be water-repellent. Hydrophobic pores and / or channels are therefore those that repel water. In particular, according to the invention, hydrophobic properties are associated with substances or molecules with non-polar groups.

Als hydrophil wird im Gegensatz hierzu die Fähigkeit zur Wechselwirkung mit Wasser und anderen polaren Stoffen verstanden.In contrast, the ability to interact with water and other polar substances is understood to be hydrophilic.

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 katalysieren kann.Gas diffusion electrodes (GDE) in general are electrodes in which there are liquid, solid and gaseous phases, and in particular where a conductive catalyst can catalyze 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; oder als leitfähiger poröser Träger, auf den ein Katalysator in dünner Schicht aufgebracht werden kann.The design can be of various types, for example as a porous “full material catalyst” with possibly auxiliary layers to adjust the hydrophobicity; or as a conductive porous support onto which a catalyst can be applied in a thin layer.

Im Sinne dieser Erfindung ist eine Gasdiffusionselektrode (GDE) insbesondere eine poröse Elektrode, in deren Inneren sich Gase durch Diffusion bewegen können. Sie kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, einen Gas- und einen ElektrolytRaum voneinander zu trennen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann sie sich dadurch auszeichnen, dass Produktgase aus diesen Gasdiffusionselektroden auf der der Gegenelektrode abgewandte Seite austreten können, also beispielsweise in einen Gasraum, zu dem ein Gas zur Umsetzung zugeführt wird. Flüssige und/oder gelöste Produkte und/oder Nebenprodukte der elektrochemischen Umsetzung, insbesondere die dabei erzeugten Ladungsträger, können beispielsweise von der Elektrode in den Elektrolyten abgegeben werden. Eine GDE kann ein- oder mehrschichtig mit hydrophilen und/oder hydrophoben Bereichen aufgebaut sein, wobei beispielsweise für eine gute Kontaktierung eines Gases umfassend CO2 zumindest eine hydrophobe Schicht vorteilhaft ist, während für eine gute Kontaktierung eines wässrigen Elektrolyten eine hydrophile Schicht vorteilhaft sein kann. GDEs sind insbesondere Elektroden, in denen flüssige, feste und gasförmige Phasen vorliegen und wo der leitende Katalysator die elektrochemische Reaktion zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase katalysiert.For the purposes of this invention, a gas diffusion electrode (GDE) is in particular a porous electrode, inside which gases can move through diffusion. For example, it can be designed to separate a gas and an electrolyte space from one another. According to certain embodiments, it can be distinguished in that product gases can escape from these gas diffusion electrodes on the side facing away from the counterelectrode, that is to say, for example, into a gas space to which a gas is supplied for conversion. Liquid and / or dissolved products and / or by-products of the electrochemical conversion, in particular the charge carriers generated in the process, can be released, for example, from the electrode into the electrolyte. A GDE can be constructed in one or more layers with hydrophilic and / or hydrophobic regions, with at least one hydrophobic layer being advantageous, for example, for good contacting of a gas comprising CO 2 , while a hydrophilic layer can be advantageous for good contacting of an aqueous electrolyte. GDEs are in particular electrodes in which there are liquid, solid and gaseous phases and where the conductive catalyst catalyzes the electrochemical reaction between the liquid and the gaseous phase.

Der Normaldruck ist 101325 Pa = 1,01325 bar.The normal pressure is 101325 Pa = 1.01325 bar.

Elektro-Osmose:

  • 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:
  • Electro-osmosis is an electrodynamic phenomenon in which particles in solution with a positive zeta potential have a force towards the cathode and all particles with a negative zeta potential have a force towards the anode. If there is a conversion at the electrodes, ie if a galvanic current flows, there is also a material flow of the particles with positive zeta potential to the cathode, regardless of whether the species is involved in the conversion 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. One also speaks of 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. Dies kann vorliegend beispielsweise einen Strom von Carbonat- und/oder Hydrogencarbonationen in der ersten Elektrolysezelle betreffen.The material flows caused by electro-osmosis can also flow in the opposite direction to concentration gradients. Diffusion-related currents that compensate for the concentration gradients can thus be overcompensated. In the present case, this can relate, for example, to a stream of carbonate and / or hydrogen carbonate ions in the first electrolytic cell.

Ein Separator ist eine Barriere, beispielsweise eine Schicht, welche in einer Elektrolysezelle eine räumliche und zumindest teilweise auch stoffliche Trennung zwischen verschiedenen Räumen der Elektrolysezelle, z.B. Anodenraum, Elektrolytraum, Salzbrückenraum Kathodenraum, etc. bewerkstelligen kann sowie eine elektrische Trennung zwischen Anode und Kathode, jedoch einen Ionentransport zwischen den verschiedenen Räumen zulässt. Ein Separator weist insbesondere kein fest zugeordnetes Potential auf, wie eine Elektrode. Ein Separator kann beispielsweise eine flächig ausgebildete Barriere mit gleichbleibender Flächenbelegung sein. Insbesondere sind Membranen und Diaphragmen als spezielle Beispiele von Separatoren anzusehen.A separator is a barrier, for example a layer, which in an electrolysis cell has a spatial and at least partially also material separation between different spaces of the electrolysis cell, e.g. Anode space, electrolyte space, salt bridge space, cathode space, etc. can accomplish as well as an electrical separation between anode and cathode, but allows ion transport between the different spaces. In particular, a separator has no permanently assigned potential, like an electrode. A separator can be, for example, a flat barrier with the same surface area. In particular, membranes and diaphragms are to be regarded as special examples of separators.

In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von CO aus CO2 umfassend elektrolytische Umsetzung eines Edukts umfassend CO2 zu einer Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat in einer ersten Elektrolysezelle,
Abführen der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat,
Einbringen der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat in einen ersten Reaktor, und
Freisetzen eines Produkts umfassend CO aus der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat in dem ersten Reaktor.
In a first aspect, the present invention relates to a method for producing CO from CO 2 comprising electrolytic conversion of a starting material comprising CO 2 to a mixture comprising formic acid and / or formate in a first electrolytic cell,
Removing the mixture comprising formic acid and / or formate,
Introducing the mixture comprising formic acid and / or formate into a first reactor, and
Releasing a product comprising CO from the mixture comprising formic acid and / or formate in the first reactor.

Die Reihenfolge der Schritte im Verfahren erfolgt in der genannten Reihenfolge.The sequence of the steps in the process is in the order mentioned.

Das Produkt umfassend CO ist hierbei auch zum Druckaufbau geeignet. Insbesondere ist das Produkt umfassend CO gemäß bestimmten Ausführungsformen auch arm an H2, weil es in einem separaten Behälter, einem ersten Reaktor, erzeugt werden kann.The product comprising CO is also suitable for building up pressure. In particular, the product comprising CO, according to certain embodiments, is also low in H2 because it can be produced in a separate container, a first reactor.

Das Edukt umfassend CO2 ist nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise als Gasgemisch, welches beispielsweise auch befeuchtet sein kann für eine bessere Kontaktierung einer Elektrode - hier z.B. einer ersten Kathode, oder Lösung vorliegen. Neben CO2 können auch andere Gaskomponenten vorliegen, wobei bevorzugt jedoch im Wesentlichen CO2 im Edukt enthalten ist, beispielsweise mehr als 50, 90, 95 oder 99 Vol.%, und bis zu 100 Vol.%.The starting material comprising CO 2 is not particularly limited and can be present, for example, as a gas mixture which, for example, can also be moistened for better contacting an electrode - here, for example, a first cathode, or a solution. In addition to CO 2 , other gas components can also be present, but preferably preferably essentially CO 2 is present in the starting material, for example more than 50, 90, 95 or 99% by volume, and up to 100% by volume.

Auch die elektrolytische Umsetzung ist nicht besonders beschränkt, insbesondere ist die Anodenreaktion nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise die Umsetzung von Wasser sein. Die erste Elektrolysezelle ist entsprechend auch nicht besonders beschränkt, sofern sie eine erste Kathode und eine erste Anode aufweist. Die beiden Elektroden, also die erste Kathode und die erste Anode, sind nicht besonders beschränkt. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die erste Kathode eine Gasdiffusionselektrode. Hierbei wird also ein Edukt umfassend CO2 in die Elektrolysezelle eingeleitet und mithilfe der GDE auf Kathodenseite reduziert, wobei hier dann auf der anderen Seite ein flüssiger, bevorzugt wässriger, Elektrolyt vorliegen kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die erste Anode eine Gasdiffusionselektrode.The electrolytic conversion is also not particularly restricted, in particular the anode reaction is not particularly restricted and can be, for example, the conversion of water. Accordingly, the first electrolytic cell is not particularly limited if it has a first cathode and a first anode. The two electrodes, that is, the first cathode and the first anode, are not particularly limited. According to certain embodiments, the first cathode is a gas diffusion electrode. Here, an educt comprising CO 2 is introduced into the electrolysis cell and reduced on the cathode side using the GDE, a liquid, preferably aqueous, electrolyte then being able to be present on the other side. According to certain embodiments, the first anode is a gas diffusion electrode.

Bei der elektrolytischen Umsetzung entsteht eine Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, wobei die Mischung noch andere Komponenten wie andere Produkte der elektrolytischen Umsetzung enthalten kann, jedoch bevorzugt bei der Umsetzung im Wesentlichen Ameisensäure und/oder Formiat entstehen, bevorzugt mehr als 50, 90, 95 oder sogar 99 Gew.%, bezogen auf das CO2, das umgesetzt wird. Gemäß bestimmten Ausführungsformen entsteht eine Mischung umfassend Ameisensäure. Gemäß bestimmten Ausführungsformen entsteht eine Mischung umfassend Formiat. Dies kann beispielsweise von einem Elektrolyten bei der elektrolytischen Umsetzung abhängen.A mixture comprising formic acid and / or formate is formed in the electrolytic reaction, the mixture may also contain other components such as other products of the electrolytic reaction, but preferably essentially formic acid and / or formate are formed in the reaction, preferably more than 50, 90, 95 or even 99% by weight, based on the CO 2 that is reacted. According to certain embodiments, a mixture comprising formic acid is formed. According to certain embodiments, a mixture comprising formate is formed. This can depend, for example, on an electrolyte during the electrolytic conversion.

Diese Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat wird aus der ersten Elektrolysezelle auf geeignete Weise abgeführt, welche nicht besonders beschränkt ist, wobei die Abführung beispielsweise im Gleichstrom oder Gegenstrom zur Zufuhr des Edukts umfassend CO2 erfolgen kann, beispielsweise über eine geeignete Abführeinrichtung.This mixture comprising formic acid and / or formate is removed in a suitable manner from the first electrolytic cell, which is not particularly limited, the removal being, for example, in the Co-current or counter-current to supply the starting material comprising CO 2 can take place, for example via a suitable discharge device.

Nach dem Abführen wird die Mischung umfassend Ameisensäure, ggf. nach Durchgang durch einen Behälter zum Zwischenspeichern, in einen ersten Reaktor eingebracht, in dem aus der Mischung ein Produkt umfassend CO freigesetzt wird, wobei die Freisetzung hier nicht beschränkt ist und auch davon abhängen kann, ob im Wesentlichen Ameisensäure oder Formiat vorliegt.After removal, the mixture comprising formic acid, if appropriate after passing through a container for temporary storage, is introduced into a first reactor in which a product comprising CO is released from the mixture, the release not being restricted here and also being able to depend on it, whether it is essentially formic acid or formate.

Für das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von CO aus CO2 werden nun die obigen theoretischen Betrachtungen zur Zellspannung weiter diskutiert, welche hier nun die Grundlage der vorliegenden Erfindung bilden. Wie oben dargelegt wird in wässrigen Medien bei der elektrolytischen Umsetzung von CO2 zu CO thermische Energie als nicht verwendbarer Energieverlust erzeugt.For the method according to the invention for producing CO from CO 2 , the above theoretical considerations regarding cell voltage are now further discussed, which now form the basis of the present invention. As stated above, thermal energy is generated as an unusable energy loss in the electrolytic conversion of CO 2 to CO in aqueous media.

In wässrigen Medien könnte der Energieverlust vermieden werden, wenn in sauren Medien gearbeitet werden könnte.
Kathodenreaktion: CO2 + 2 H+ + 2e- → CO + H2O    ΔH = -2,87 kJ
In aqueous media, energy loss could be avoided if work could be done in acidic media.
Cathode reaction: CO 2 + 2 H + + 2e - → CO + H 2 O ΔH = -2.87 kJ

Mit z = 2 erhält man gerundet UK = -0,01 V:

  • Anodenreaktion: 2 H2O - 4e- → O2 + 4H+    ΔH = 571,7 kJ
With z = 2 one obtains rounded U K = -0.01 V:
  • Anode reaction: 2 H 2 O - 4e- → O 2 + 4H + ΔH = 571.7 kJ

Mit z = 4 erhält man gerundet UA = 1,48 V.With z = 4 you get rounded U A = 1.48 V.

Die Zellspannung ergibt sich wiederum gerundet zu 1,47 V.The cell voltage is again rounded to 1.47 V.

Die Überspannung von Wasserstoff an den beschriebenen üblichen Elektroden zur Umsetzung von CO2 zu CO (z.B. Au, Ag) in sauren Medien ist leider jedoch gering, sodass die CO2-Reduktion im Vergleich zur H2O-Reduktion stark zurückgedrängt wird und somit fast ausschließlich Wasserstoff entsteht und diese Variante ohne intensive Katalysatorentwicklung keine Lösung für das Problem darstellt.Unfortunately, the overvoltage of hydrogen at the usual electrodes described for converting CO 2 to CO (e.g. Au, Ag) in acidic media is low, so that the CO 2 reduction is greatly reduced compared to the H 2 O reduction and thus almost only hydrogen is produced and this variant without intensive catalyst development is not a solution to the problem.

Entsprechend stellt dies keine praktikable Lösung dar, sodass die theoretischen Betrachtungen nunmehr weitergehend betrachtet werden.Accordingly, this is not a practical solution, so that the theoretical considerations are now considered in more detail.

Der Ablauf der CO2-Reduktion erfolgt über mehrere Stufen. Eine chemische intuitive Vorstellung ist in den folgenden Reaktionsgleichungen und Reaktionszuständen in Zusammenschau mit 1 bis 4 schematisch in mehreren Schritten dargestellt.The CO 2 reduction process takes place over several stages. A chemical intuitive idea is summarized in the following reaction equations and reaction states 1 to 4th represented schematically in several steps.

In 1 ist der erste Schritt der CO2-Adsoprtion auf einer Oberfläche, hier eines beispielhaften Metalls M, dargestellt. Danach erfolgt in einem Schritt 2 die erste Reduktion bei der elektrochemischen Umsetzung, die in 2 dargestellt ist. Darauffolgend erfolgt in einem dritten Schritt in wässrigen Medien eine erste Protonierung, welche in 3 dargestellt ist. Anschließend erfolgt in einem Schritt 4, welcher in 4 gezeigt ist, eine zweite Reduktion, wobei hier auch ein Ausgangskanal für Format F (formate type exit channel) möglich ist, woraufhin sich in einem fünften Schritt eine CO-Desorption oder eine weitere Reduktion anschließt (nicht dargestellt).In 1 shows the first step of CO 2 adsorption on a surface, here an exemplary metal M. Then it is done in one step 2nd the first reduction in electrochemical implementation, which in 2nd is shown. Subsequently, in a third step, a first protonation takes place in aqueous media 3rd is shown. Then takes place in one step 4th which in 4th is shown, a second reduction, wherein an output channel for format F (format type exit channel) is also possible, whereupon CO desorption or a further reduction follows in a fifth step (not shown).

Im Detail spielt sich dies wie folgt ab:

  • Zunächst wird das CO2 im ersten Schritt an der Oberfläche des Metalls M absorbiert und ein Elektron im Schritt 2 übertragen, wodurch sich die Oxidationszahl des Kohlenstoffs formal um 1 erhöht. Metallcarboxylate sind basisch und können durch Wasser relativ leicht protoniert werden, wodurch das erste Hydroxid-Ion im Schritt 3 freigesetzt wird. Man kann sich vorstellen, dass aufgrund der Stabilität des Metallcarboxylats hierzu relativ wenig Energie notwendig ist. Im Anschluss daran erfolgt die zweite Reduktionsstufe im Schritt 4, wodurch ein „Strukturisomeres“ des Formiats entsteht.
In detail, this takes place as follows:
  • First, the CO 2 is absorbed on the surface of the metal M in the first step and an electron in the step 2nd transferred, which formally increases the oxidation number of carbon by 1. Metal carboxylates are basic and can be protonated relatively easily by water, creating the first hydroxide ion in the crotch 3rd is released. One can imagine that due to the stability of the metal carboxylate, relatively little energy is required for this. This is followed by the second reduction step 4th , which creates a “structural isomer” of the formate.

Hierbei ergeben sich zwei weitere Pfade.

  1. a. Das Pseudoformiat zerfällt in ein Hydroxid-Ion und Kohlenmonoxid, wie in 4 gezeigt.
  2. b. Das Pseudoformiat lagert sich in Formiat um und wird anschließend desorbiert, wie durch den Pfad zu Formiat F dargelegt.
This creates two more paths.
  1. a. The pseudoformate breaks down into a hydroxide ion and carbon monoxide, as in 4th shown.
  2. b. The pseudoformate rearranges into formate and is then desorbed, as shown by the path to formate F.

All diese Schritte müssen gewisse Energiebarrieren überwinden, damit sie stattfinden. Diese Energie kann entweder elektrisch oder thermisch zugeführt werden. Die thermodynamischen Betrachtungen oben zeigen, dass für die CO-Bildung via Schritt a. erhebliche Energiemengen in Form elektrischer Energie zugeführt werden müssen. All of these steps must overcome certain energy barriers for them to take place. This energy can be supplied either electrically or thermally. The thermodynamic considerations above show that for the CO formation via step a. considerable amounts of energy must be supplied in the form of electrical energy.

Thermodynamische Betrachtungen sind wegunabhängig d.h. prinzipiell ist es nicht von Bedeutung ob die Energie in Form von elektrischer oder thermischer Energie zugeführt wird. Allerdings ist der nutzbare Energieanteil der verschiedenen Energieformen (Exergie) deutlich unterschiedlich. Elektrizität ist eine Energieform mit 100% Exergie. Bei Wärme ist die nutzbare Energie durch Carnot-Wirkungsgrade limitiert.Thermodynamic considerations are path independent i.e. in principle it is not important whether the energy is supplied in the form of electrical or thermal energy. However, the usable energy share of the different forms of energy (exergy) is significantly different. Electricity is a form of energy with 100% exergy. In the case of heat, the usable energy is limited by Carnot efficiencies.

Deshalb ist es wichtig, sich Prozesssequenzen zu überlegen, wo die eingesetzte elektrische Energie den meisten Nutzen bringt und nicht unbedingt in Form von Wärme verloren geht. It is therefore important to consider process sequences where the electrical energy used has the most benefit and is not necessarily lost in the form of heat.

In der folgenden Tabelle 2 sind die thermodynamischen Betrachtungen zusammengefasst. Die Anodenreaktion, welche nicht besonders beschränkt ist - hier beispielhaft eine Wasseroxidation - ist für beide Prozessfolgen die Gleiche. Tabelle 2: Thermodynamische Betrachtungen für die Reaktion von CO2 zu CO oder Format/Ameisensäure, im Hinblick auf das thermodynamische Limit dieser Reaktion von 1,47 V Thermodynamisches Limit CO2 → CO + ½ O2 1,47 V CO Reduktion UHalbzelle Format Reaktion UHalbzelle Kathode CO2 + H2O + 2e- -> CO+2OH- 0,56 V CO2 + H2O + 2e- → HCOO- + OH- 0,12 V Anode H2O - 2e- → ½ O2 + 2 H+ 1,48 V H2O - 2e- → ½ O2 + 2 H+ 1,48 V Gesamt CO2 → CO + ½ O2 2,04 V CO2 + H2O -> HCOOH + ½ O2 1,60 V HCOOH -> CO + H2O (eff. 0,15 V) The following table 2 summarizes the thermodynamic considerations. The anode reaction, which is not particularly limited - here, for example, water oxidation - is the same for both process sequences. Table 2: Thermodynamic considerations for the reaction of CO 2 to CO or format / formic acid, with regard to the thermodynamic limit of this reaction of 1.47 V Thermodynamic limit CO 2 → CO + ½ O 2 1.47 V CO reduction U half cell Format response U half cell cathode CO 2 + H 2 O + 2e - -> CO + 2OH - 0.56 V CO 2 + H 2 O + 2e - → HCOO - + OH - 0.12 V. anode H 2 O - 2e - → ½ O 2 + 2 H + 1.48 V H 2 O - 2e - → ½ O 2 + 2 H + 1.48 V total CO 2 → CO + ½ O 2 2.04 V. CO 2 + H 2 O -> HCOOH + ½ O 2 1.60 V HCOOH -> CO + H 2 O (eff. 0.15 V)

Oben wurde detailliert erläutert, dass die minimale Zellspannung für die Herstellung von CO aus CO2 2,04 V beträgt und anschließend mindestens die Neutralisationsenergie im Kathodenraum in Form von unerwünschter Wärme wieder frei wird. Bezugspunkt ist immer die Gesamtreaktion CO2 → CO + ½ O2 mit 1,47 V. In Kohlenmonoxid und Formiat/Ameisensäure besitzt der Kohlenstoff die gleiche Oxidationsstufe von +2.It was explained in detail above that the minimum cell voltage for the production of CO from CO 2 is 2.04 V and then at least the neutralization energy in the cathode compartment is released again in the form of undesired heat. The reference point is always the total reaction CO 2 → CO + ½ O 2 with 1.47 V. In carbon monoxide and formate / formic acid, the carbon has the same oxidation state of +2.

Im Sinne der Erfindung ist es daher vorteilhaft zunächst, an der Kathode Formiat und/oder Ameisensäure zu erzeugen. CO2 + H2O + 2e- → HCOO- + OH-   ΔH = 23,88 kJ For the purposes of the invention, it is therefore advantageous first of all to generate formate and / or formic acid on the cathode. CO 2 + H 2 O + 2e - → HCOO - + OH - ΔH = 23.88 kJ

Mit z = 2 erhält man UK = 0,12 V.With z = 2 one obtains U K = 0.12 V.

Die Anodenreaktion liefert in diesen Betrachtungen die notwendigen Protonen für die Neutralisation zur Bildung von Ameisensäure. Die minimale Gesamtspannung in wässrigen Medien liegt damit bei 1,60 V. Ameisensäure lässt sich thermisch leicht in CO und H2O zersetzen (ΔH = -29,06 kJ, mit z = 2 entspräche dies formal U = 0,15 V). Diese Energie kann ggf. aus der Abwärme des Elektrolyseurs aufgebracht werden.In these considerations, the anode reaction provides the protons necessary for neutralization to formic acid. The minimum total voltage in aqueous media is 1.60 V. Formic acid can easily be thermally decomposed into CO and H 2 O (ΔH = -29.06 kJ, with z = 2 this would correspond formally to U = 0.15 V). This energy can possibly be applied from the waste heat of the electrolyzer.

Rückschauend ist also die Bildung des zweiten Hydroxid-Ions sehr energieaufwändig.In retrospect, the formation of the second hydroxide ion is very energy-intensive.

Damit ergibt sich die erfinderische Prozesssequenz bezogen auf die aufzuwendende elektrische Energie, die beispielsweise aus erneuerbaren Energien bereitgestellt werden kann:

  1. 1. Herstellung von Formiat an der Kathode, das dann mit Protonen der Anode zu Ameisensäure neutralisiert werden kann.
  2. 2. Thermische Zersetzung der Ameisensäure zu CO und Wasser (bzw. Formiat zu CO, beispielsweise mit Säurezugabe).
This results in the inventive process sequence based on the electrical energy to be used, which can be provided, for example, from renewable energies:
  1. 1. Production of formate on the cathode, which can then be neutralized with formons of the anode to formic acid.
  2. 2. Thermal decomposition of formic acid to CO and water (or formate to CO, for example with the addition of acid).

Während bei einer Direktsynthese von CO mit basischer Kathodenreaktion minimal (2,04 V - 1,47 V) / 2,04 V = 28% elektrische Energie in Form von Wärme verloren gehen, sind es im Fall der hier diskutierten Sequenz (mit der theoretischen Spannung der Freisetzung von CO) (1,75 V - 1,47 V) / 1,75 V = 16 %. Diese Energie kann zudem ggf. zumindest teilweise aus der Abwärme des Elektrolyseurs für die CO-Freisetzung verwendet werden. While in a direct synthesis of CO with a basic cathode reaction minimal (2.04 V - 1.47 V) / 2.04 V = 28% electrical energy in the form of heat is lost, in the case of the sequence discussed here (with the theoretical Release voltage of CO) (1.75 V - 1.47 V) / 1.75 V = 16%. This energy can also be used, at least in part, from the waste heat of the electrolyzer for the CO release.

Wenn man die Formiatproduktion in sauren Elektrolyten durchführt, ergibt sich folgende Halbzellenspannung: CO2 + 2 H+ + 2e- → HCOO- ΔH = -31.92 kJ Mit z = 2 erhält man UK = -0,17 V und damit eine gerundete Zellspannung von 1,32 V.If the formate production is carried out in acidic electrolytes, the following half-cell voltage results: CO 2 + 2 H + + 2e - → HCOO - ΔH = -31.92 kJ With z = 2 one obtains U K = -0.17 V and thus a rounded cell voltage of 1.32 V.

Eine chemische intuitive Vorstellung für diesen „sauerkatalysierten Weg“ ist in den folgenden Reaktionsgleichungen und Reaktionszuständen in Zusammenschau mit 5 bis 8 schematisch in mehreren Schritten dargestellt.A chemical intuitive idea for this “acid-catalyzed path” can be seen in the following reaction equations and reaction states 5 to 8th represented schematically in several steps.

In 5 ist wiederum entsprechend 1 der erste Schritt der CO2-Adsoprtion auf einer Oberfläche, hier eines beispielhaften Metalls M, dargestellt. Danach erfolgt in einem zweiten Schritt - entsprechend der Überlegung in 2 - die erste Reduktion bei der elektrochemischen Umsetzung, die in 6 dargestellt ist. Darauffolgend erfolgt im Gegensatz zum obigen Schema in einem dritten Schritt eine Protonierung aus dem sauren Medium, welche in 7 dargestellt ist. Anschließend erfolgt in einem vierten Schritt, welcher in 8 gezeigt ist, eine Oberflächenumlagerung, welche hier einen Ausgangskanal für Format F (formate type exit channel) ermöglicht, woraufhin sich in einem fünften Schritt eine thermische CO-Freisetzung anschließen kann (nicht dargestellt).In 5 is again appropriate 1 the first step of CO 2 adsorption on a surface, here an exemplary metal M, is shown. Then, in a second step - according to the consideration in 2nd - The first reduction in electrochemical implementation, which in 6 is shown. Subsequently, in contrast to the above scheme, protonation from the acidic medium takes place in a third step 7 is shown. Then follows in a fourth step, which in 8th is shown, a surface rearrangement which here enables an output channel for format F (format type exit channel), whereupon a thermal CO release can follow in a fifth step (not shown).

Die entsprechenden Reaktionen in verschiedenen Zuständen und Medien sind auch noch hinsichtlich ihrer Energiebilanzen schematisch in 9 bis 12 gezeigt.The corresponding reactions in various states and media are also shown schematically in terms of their energy balances 9 to 12th shown.

9 zeigt hierbei die theoretische Spannung von 1,47 V, die für die Gasphasenumsetzung von CO2 zu CO aufgewendet werden muss und beispielsweise aus erneuerbarer Energie 1 stammen kann. Wie oben dargelegt würde sich dieselbe Spannung auch bei einer direkten Umsetzung von CO2 zu CO in saurem Medium ergeben (Halbzellenspannung an der Anode bei WasserElektrolyse gerundet -1,48 V, an der Kathode gerundet 0,02 V, sodass sich gerundet für die Zelle -1,47 V ergeben), welche jedoch technisch bisher wegen der niedrigen WasserstoffÜberspannung beispielsweise an Silber nicht möglich ist. 9 shows the theoretical voltage of 1.47 V, which has to be used for the gas phase conversion from CO 2 to CO and, for example, from renewable energy 1 can originate. As stated above, the same voltage would also result from a direct conversion of CO 2 to CO in acidic medium (half-cell voltage rounded at the anode during water electrolysis - 1.48 V, rounded at the cathode 0.02 V, so that the cell is rounded -1.47 V), which has not been technically possible due to the low hydrogen overvoltage, e.g. on silver.

In 10 ist gezeigt, dass bei einer Umsetzung im nicht sauren Milieu hier zusätzlich thermische Energie 3 aufgewendet werden muss, die als Energie 2, beispielsweise erneuerbaren Energie zusätzlich aufgewendet werden muss. Dies ist ein Resultat der Kathoden-Halbzellenspannung von -0,56V, sodass sich bei gleicher Anodenhalbzelle eine Gesamtspannung von gerundet -2,04 V ergibt.In 10th it is shown that when implemented in a non-acidic environment, additional thermal energy is used 3rd must be used as energy 2nd , for example, renewable energy must also be used. This is a result of the cathode half-cell voltage of -0.56V, so that for the same anode half-cell, a total voltage of rounded -2.04 V results.

In 11 ist die Route über Ameisensäure im Basischen gezeigt, wobei hier bei gleicher Anodenhalbzelle für die Kathodenhalbzelle (Formiatbildung) eine Spannung von -0,12 V zu Buche schlägt. Für die aufzuwendende Gesamtenergie 4 ergibt sich somit ein thermischer Verlust 5, der gerundet einer Spannung von 0,13 V entspricht.In 11 the route via formic acid is shown in basic form, with a voltage of -0.12 V for the same anode half cell for the cathode half cell (formation of formate). For the total energy to be used 4th this results in a thermal loss 5 , which corresponds to a voltage of 0.13 V when rounded.

In 12 ist die Energiebilanz über die Bildung von Ameisensäure auf Kathodenseite gezeigt (CO2 + H+ + 2 e- → HCOO-; UHalbzelle = -0,17 V), wobei sich im Vergleich zur Gasphasenreduktion in 9 die aufzuwendende Energie 6 reduziert und Verlustwärme 7 wiederverwertet werden kann (für die Wasserumsetzung als Anodenreaktion).In 12th the energy balance of the formation of formic acid on the cathode side is shown (CO 2 + H + + 2 e - → HCOO - ; U half cell = -0.17 V), whereby in comparison to the gas phase reduction in 9 the energy to be used 6 reduced and heat loss 7 can be recycled (for water conversion as an anode reaction).

Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass für 9 bis 12 die Konvention ΔH = -z·F·E verwendet wurde.It should be noted that for 9 to 12th the convention ΔH = -z · F · E was used.

Festzuhalten ist bei den obigen Betrachtungen, dass bei wässrigen Elektrolyten hier die Anodenreaktion unerheblich ist, da sie für alle Halbzellen die gleiche Energie einbringt in die Gesamtbilanz und sich nur Unterschiede hinsichtlich eines sauren, neutralen oder basischen Elektrolyten ergeben.It should be noted in the above considerations that the anode reaction is irrelevant in the case of aqueous electrolytes, since it brings the same energy for all half cells into the overall balance and there are only differences with regard to an acidic, neutral or basic electrolyte.

Das CO2/HCO3 -/CO3 2-/OH- Gleichwicht ist damit das Hauptproblem für die energieeffiziente Nutzung erneuerbarer Energie in der direkten einstufigen elektrochemischen Synthese von CO2 zu CO und/oder auch zu Kohlenwasserstoffen.The CO 2 / HCO 3 - / CO 3 2- / OH - equal wight is thus the main problem for the energy efficient use of renewable energy in the direct one-step electrochemical synthesis of CO 2 to CO and / or also to hydrocarbons.

Entsprechend den obigen theoretischen Betrachtungen gibt es somit verschiedene Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. In accordance with the theoretical considerations above, there are therefore various configurations of the method according to the invention.

Prinzipiell sind zwei Ausgestaltungsformen möglich. Eine Möglichkeit geht über Formiat, die andere über Ameisensäure selbst. Die Ausgestaltung mit Ameisensäure ist entsprechend den obigen Überlegungen bevorzugt.In principle, two configurations are possible. One possibility is via formate, the other via formic acid itself. Formation with formic acid is preferred in accordance with the considerations above.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt das Abführen der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat in Lösung, bevorzugt in wässriger Lösung. Dies ist beispielsweise möglich bei Verwendung eines wässrigen Elektrolyten zumindest im Zwischenraum zwischen der ersten Anode und der ersten Kathode.According to certain embodiments, the mixture comprising formic acid and / or formate is removed in solution, preferably in aqueous solution. This is possible, for example, when using an aqueous electrolyte, at least in the space between the first anode and the first cathode.

Eine weniger bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist, dass in einem, beispielsweise neutralen, Elektrolyten (z.B. mit KHCO3, K2SO4, etc.) ein Formiatsalz wie Kaliumformiat an einer geeigneten ersten Kathode, z.B. einer Pb oder Sn haltigen Elektrode, erzeugt wird, und dieses durch Kristallisation isoliert wird. In diesem Fall umfasst die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat im Wesentlichen ein Formiatsalz oder sogar nur ein Formiatsalz. Diese kann dann im ersten Reaktor zersetzt werden. Eine Zersetzung von beispielsweise Kaliumformiat findet im Bereich um seinen Schmelzpunkt von 260 - 300°C statt. Aufgrund der hohen Temperaturen ist diese Ausgestaltung jedoch weniger bevorzugt.A less preferred embodiment of the invention is that a formate salt such as potassium formate is generated in a, for example neutral, electrolyte (for example with KHCO 3 , K 2 SO 4 , etc.) on a suitable first cathode, for example a Pb or Sn-containing electrode , and this is isolated by crystallization. In this case, the mixture comprising formic acid and / or formate essentially comprises a formate salt or even only a formate salt. This can then be decomposed in the first reactor. For example, potassium formate decomposes in the range around its melting point of 260-300 ° C. However, this configuration is less preferred due to the high temperatures.

Eine andere Alternative ist die Verwendung einer Säure, welche nicht besonders beschränkt ist und welche in der ersten Elektrolysezelle und/oder außerhalb, beispielsweise in einem Behälter zum Zwischenspeichern und/oder einem ersten Reaktor, der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat zugegeben werden kann. Beispielhafte bevorzugte Säuren sind Schwefelsäure und/oder Salzsäure. Das erhaltene Formiat kann durch die Säure, beispielsweise Schwefelsäure, neutralisiert und zersetzt werden.Another alternative is the use of an acid which is not particularly limited and which can be added to the mixture comprising formic acid and / or formate in the first electrolytic cell and / or outside, for example in a container for temporary storage and / or a first reactor. Exemplary preferred acids are sulfuric acid and / or hydrochloric acid. The formate obtained can be neutralized and decomposed by the acid, for example sulfuric acid.

Beispielsweise ist folgende Gleichung möglich: 2 KOOCH + H2SO4 → K2SO4 + CO + H2O. For example, the following equation is possible: 2 KOOCH + H 2 SO 4 → K 2 SO 4 + CO + H 2 O.

Schwefelsäure ist hierbei eine bevorzugte Säure, da sie ein gängiges Commodity-Produkt ist. Bei Verwendung eines Kaliumsalz-haltigen Elektrolyten kann zudem ein erhaltenes Kaliumsulfat als Dünger und/oder wiederum Elektrolytzusatz verwendet werden.Sulfuric acid is a preferred acid here because it is a common commodity product. When using a potassium salt-containing electrolyte, a potassium sulfate obtained can also be used as a fertilizer and / or electrolyte additive.

Eine dritte Möglichkeit ist, Ameisensäure direkt elektrochemisch zu erzeugen, wie es beispielsweise in „Electrochemical conversion of CO2 to formic acid utilizing Sustainion™ membranes“, Hongzhou Yang, Jerry J. Kaczur, Syed Dawar Sajjad, Richard I. Masel, Journal of CO2 Utilization 20 (2017) 208-217, beschrieben wird, auf die bezüglich der Erzeugung der Ameisensäure Bezug genommen wird. Selbstverständlich sind auch andere elektrochemische Methoden zur Erzeugung von Ameisensäure möglich.A third possibility is to generate formic acid directly electrochemically, as described, for example, in “Electrochemical conversion of CO 2 to formic acid utilizing Sustainion ™ membranes”, Hongzhou Yang, Jerry J. Kaczur, Syed Dawar Sajjad, Richard I. Masel, Journal of CO 2 Utilization 20 (2017) 208-217, which is referred to for the generation of formic acid. Of course, other electrochemical methods for generating formic acid are also possible.

Die elektrochemische Erzeugung von Ameisensäure wird mit ihrer einfachen thermischen Zersetzung in CO und H2O zu einem Verfahren, das CO energieeffizienter, bezogen auf den Einsatz elektrischer Energie, erzeugt als die elektrochemische Direktreduktion von CO2.With its simple thermal decomposition into CO and H 2 O, the electrochemical generation of formic acid becomes a process that generates CO more energy-efficiently, based on the use of electrical energy, than the electrochemical direct reduction of CO 2 .

Ameisensäure leitet prinzipiell schlecht, sodass zur Leitfähigkeitserhöhung in „Electrochemical conversion of CO2 to formic acid utilizing Sustainion™ membranes“, Hongzhou Yang, Jerry J. Kaczu, Syed Dawar Sajjad, Richard I. Masel, Journal of CO2 Utilization 20 (2017) 208-217, Feststoffelektrolyten zugesetzt werden, deren Leitfähigkeit ebenfalls limitiert ist.Formic acid conducts poorly in principle, so that to increase the conductivity in "Electrochemical conversion of CO 2 to formic acid utilizing Sustainion ™ membranes", Hongzhou Yang, Jerry J. Kaczu, Syed Dawar Sajjad, Richard I. Masel, Journal of CO 2 Utilization 20 (2017) 208-217, solid electrolytes are added, the conductivity of which is also limited.

Die schlechte elektrische Leitfähigkeit σ von Ameisensäure in Wasser ist der folgenden Tabelle 3 zu entnehmen. Tabelle 3: Elektrische Leitfähigkeit von Ameisensäure bei 25°C in Mischung mit Wasser Ameisensäure [Gew.%] σ [mS/cm] 5 6,22 10 8,26 15 9,86 20 11, 1 25 11,4 30 11,8 40 11,1 50 9,78 60 7,92 70 5,92 80 3,92 90 1,95 100 0,32 The poor electrical conductivity σ of formic acid in water is shown in Table 3 below. Table 3: Electrical conductivity of formic acid at 25 ° C in a mixture with water Formic acid [% by weight] σ [mS / cm] 5 6.22 10th 8.26 15 9.86 20 11, 1 25th 11.4 30th 11.8 40 11.1 50 9.78 60 7.92 70 5.92 80 3.92 90 1.95 100 0.32

Entsprechend sollte die Konzentration an Ameisensäure in der Mischung umfassend Formiat und/oder Ameisensäure nicht zu hoch sein, jedoch auch nicht zu gering, um einen ausreichenden Umsatz zu gewährleisten. Gemäß bestimmten Ausführungsformen liegt der Gehalt an Ameisensäure und/oder Formiat in der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat nach der elektrolytischen Umsetzung des Edukts umfassend CO2 in einem Bereich von 0,5 Gew.% oder mehr und 100 Gew.% oder weniger, bevorzugt 1 Gew.% oder mehr und 95 Gew.% oder weniger, weiter bevorzugt 5 Gew.% oder mehr und 90 Gew.% oder weniger.Accordingly, the concentration of formic acid in the mixture comprising formate and / or formic acid should not be too high, but also not too low, in order to ensure sufficient conversion. According to certain embodiments, the content of formic acid and / or formate in the mixture comprising formic acid and / or formate after the electrolytic reaction of the starting material comprising CO 2 is in a range from 0.5% by weight or more and 100% by weight or less, preferably 1% by weight or more and 95% by weight or less, more preferably 5% by weight or more and 90% by weight or less.

Da die Ameisensäure im vorgeschlagenen Verfahren nicht als solche isoliert werden muss, können der erzeugten Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat auch nicht-flüchtige lösliche Zusätze zur Leitfähigkeitserhöhung, beispielsweise im Elektrolyt, zugesetzt werden. Diese können auch gleichzeitig die Zersetzung zu CO und H2O unterstützen.Since the formic acid does not have to be isolated as such in the proposed process, non-volatile soluble additives for increasing the conductivity, for example in the electrolyte, can also be added to the mixture comprising formic acid and / or formate. These can also support the decomposition to CO and H 2 O at the same time.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen liegt in der ersten Elektrolysezelle zumindest zwischen der ersten Kathode und der ersten Anode ein wässriger Elektrolyt vor.According to certain embodiments, an aqueous electrolyte is present in the first electrolytic cell at least between the first cathode and the first anode.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst ein, bevorzugt wässriger, erster Elektrolyt der elektrolytischen Umsetzung des Edukts umfassend CO2 zu einer Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat eine Säure und/oder ein Salz, um die Leitfähigkeit zu erhöhen.According to certain embodiments, a, preferably aqueous, first electrolyte for the electrolytic conversion of the starting material comprising CO 2 to a mixture comprising formic acid and / or formate comprises an acid and / or a salt in order to increase the conductivity.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst ein, bevorzugt wässriger, erster Elektrolyt der elektrolytischen Umsetzung des Edukts umfassend CO2 zu einer Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat eine Säure und/oder ein Formiatsalz und/oder ein Sulfatsalz, weiter bevorzugt eine flüssige Säure, beispielsweise Schwefelsäure.According to certain embodiments, a, preferably aqueous, first electrolyte for the electrolytic conversion of the starting material comprising CO 2 to a mixture comprising formic acid and / or formate comprises an acid and / or a formate salt and / or a sulfate salt, more preferably a liquid acid, for example sulfuric acid.

Hierdurch kann die Leitfähigkeit signifikant erhöht werden im Hinblick darauf, dass die Ameisensäure selbst nicht genug leitet.This can significantly increase the conductivity in view of the fact that the formic acid itself does not conduct enough.

Beispielsweise können Salze als Zusätze dies ermöglichen, bevorzugt Formiate und/oder Sulfate, z.B. bevorzugt Alkaliformiat, bevorzugt Kaliumformiat, oder auch Alkalisulfat, z.B. Kaliumsulfat. Diese Zusätze stören insbesondere die spätere Zersetzung der Ameisensäure nicht, erhöhen die Leitfähigkeit der Lösung jedoch bis zu einem Faktor 10.For example, salts as additives can make this possible, preferably formates and / or sulfates, for example preferably alkali metal formate, preferably potassium formate, or else alkali metal sulfate, for example potassium sulfate. These additives in particular do not interfere with the subsequent decomposition of the formic acid, but increase the conductivity of the solution up to a factor 10th .

Ein Zusatz von beispielsweise Schwefelsäure kann die Leitfähigkeit über 100 mS/cm durch die Verfügbarkeit freier Protonen erhöhen.The addition of, for example, sulfuric acid can increase the conductivity above 100 mS / cm due to the availability of free protons.

Eine zu hohe Säurekonzentration, beispielsweise Schwefelsäurekonzentration, sollte jedoch vermieden werden, da sonst sich die Ameisensäure bereits im Raum bzw. Spalt zwischen der ersten Kathode und ersten Anode zersetzen kann, wodurch eine CO, CO2, H2-Trennaufgabe resultiert. Die Zersetzung kann daneben bzw. zusätzlich auch über eine Temperatursteuerung gut kontrolliert werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird entsprechend die Konzentration der Säure im Elektrolyten der ersten Elektrolysezelle in einem Bereich von 0.01 bis 50 Gew.%, beispielsweise 0.1 bis 40 Gew.%, insbesondere 1 bis 35 Gew.% eingestellt. Ebenfalls kann eine Konzentration eines Salzes im Elektrolyten der ersten Elektrolysezelle in einem Bereich von 0.01 bis 50 Gew.%, beispielsweise 0.1 bis 40 Gew.%, insbesondere 1 bis 35 Gew.% eingestellt werden. Für Schwefelsäure kann beispielsweise eine maximale Konzentration auch bis zu einschließlich 20 Gew.% sein, beispielsweise um eine ausreichende Anodenreaktion zu ermöglichen. Es ist jedoch gemäß bestimmten Ausführungsformen auch möglich, eine Säure mit einer Konzentration von 50 Gew.% oder mehr, beispielsweise mehr als 50 Gew.%, im Elektrolyten zu verwenden, wobei dies jedoch nicht bevorzugt ist, da hier die Säure, beispielsweise Schwefelsäure, dehydratisierend auf die Ameisensäure wirken kann.An excessively high acid concentration, for example sulfuric acid concentration, should however be avoided, since otherwise the formic acid can already decompose in the space or gap between the first cathode and the first anode, which results in a CO, CO 2 , H 2 separation task. The decomposition can also be controlled well or additionally via a temperature control. According to certain embodiments, the concentration of the acid in the electrolyte of the first electrolytic cell is set in a range from 0.01 to 50% by weight, for example 0.1 to 40% by weight, in particular 1 to 35% by weight. A concentration of a salt in the electrolyte of the first electrolytic cell can likewise be set in a range from 0.01 to 50% by weight, for example 0.1 to 40% by weight, in particular 1 to 35% by weight. For sulfuric acid, for example, a maximum concentration can also be up to and including 20% by weight, for example in order to enable a sufficient anode reaction. However, it is in accordance certain embodiments also make it possible to use an acid with a concentration of 50% by weight or more, for example more than 50% by weight, in the electrolyte, but this is not preferred, since here the acid, for example sulfuric acid, dehydrates the formic acid can work.

Ein Säurezusatz, insbesondere Schwefelsäure-Zusatz, zum (ersten) Elektrolyten in der ersten Elektrolysezelle ist insbesondere bei einem Vorhandensein einer Anionenaustauschermembran auf Seiten der ersten Kathode möglich, die zusätzlich die Diffusion von Protonen, insbesondere bei höheren Stromdichten blockiert. Die Anionenaustauschermembran ist hierbei nicht besonders beschränkt und kann separat von der ersten Kathode sein oder gebunden sein wie in einer Membran-Elektroden-Anordnung (membrane electrode assembly, MEA).An acid addition, in particular sulfuric acid addition, to the (first) electrolyte in the first electrolytic cell is possible in particular if an anion exchange membrane is present on the side of the first cathode, which additionally blocks the diffusion of protons, in particular at higher current densities. The anion exchange membrane is not particularly limited here and can be separate from the first cathode or bound as in a membrane electrode assembly (MEA).

Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist zwischen einer ersten Kathode und einer ersten Anode der ersten Elektrolysezelle zumindest eine Anionenaustauschermembran, bevorzugt in einem Bereich der ersten Kathode, vorhanden. Dies ist insbesondere bei Verwendung eines basischen Elektrolyten vorteilhaft. Je nach verwendeter Kathode kann diese aber auch nicht vorhanden sein, beispielsweise bei einer entsprechend guten Formiat- und/oder Ameisensäurebildung an der ersten Kathode, z.B. mit einer Kathode umfassend Pb. Gemäß bestimmten Ausführungsformen weist die erste Elektrolysezelle zumindest keine Anionenaustauschermembran in einem Bereich der Kathode auf oder weist sogar keine Anionenaustauschermembran auf.According to certain embodiments, at least one anion exchange membrane, preferably in a region of the first cathode, is present between a first cathode and a first anode of the first electrolytic cell. This is particularly advantageous when using a basic electrolyte. Depending on the cathode used, it may not be present, for example if the formation of formate and / or formic acid on the first cathode is good, e.g. with a cathode comprising Pb. According to certain embodiments, the first electrolytic cell at least has no anion exchange membrane in a region of the cathode or even has no anion exchange membrane.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen weist die erste Elektrolysezelle zwischen einer ersten Kathode und einer ersten Anode in einem Bereich der ersten Anode eine Kationenaustauschermembran oder eine bipolare Membran auf. Die Kationenaustauschermembran oder die bipolare Membran sind nicht besonders beschränkt und können wiederum separat oder als MEA zusammen mit der Anode vorliegen. Sie können, neben der Steuerung des Ionentransports, bevorzugt verhindern, dass Formiat zur Anode wandert und dort zersetzt wird.According to certain embodiments, the first electrolytic cell has a cation exchange membrane or a bipolar membrane between a first cathode and a first anode in a region of the first anode. The cation exchange membrane or the bipolar membrane are not particularly limited and can in turn be present separately or as an MEA together with the anode. In addition to controlling the ion transport, they can preferably prevent formate from migrating to the anode and being decomposed there.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst oder enthält eine - erste - Kathode der ersten Elektrolysezelle ein Metall, das ausgewählt ist aus Cu, Bi, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl und/oder Verbindungen, insbesondere chalkogenidische Verbindungen, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, bevorzugt Pb, Bi, Hg, In, Sn, Cd, Tl und/oder Verbindungen, insbesondere chalkogenidische Verbindungen, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, weiter bevorzugt Pb, Bi, insbesondere Pb. Diese sind insbesondere zur Formiat- und/oder Ameisensäurebildung befähigt. Gemäß bestimmten Ausführungsformen besteht die erste Kathode aus einem Metall, das ausgewählt ist aus Cu, Bi, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl und/oder Verbindungen, insbesondere chalkogenidischen Verbindungen, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, bevorzugt Pb, Bi, Hg, In, Sn, Cd, Tl und/oder Verbindungen, insbesondere chalkogenidischen Verbindungen, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, weiter bevorzugt Pb, Bi, insbesondere Pb.According to certain embodiments, a - first - cathode of the first electrolytic cell comprises or contains a metal which is selected from Cu, Bi, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl and / or compounds, in particular chalcogenidic compounds, and / or alloys and / or mixtures thereof, preferably Pb, Bi, Hg, In, Sn, Cd, Tl and / or compounds, in particular chalcogenide compounds, and / or alloys and / or mixtures thereof, further preferably Pb, Bi, in particular Pb. These are particularly capable of formate and / or formic acid formation. According to certain embodiments, the first cathode consists of a metal which is selected from Cu, Bi, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl and / or compounds, in particular chalcogenidic compounds, and / or alloys and / or mixtures thereof, preferably Pb, Bi, Hg, In, Sn, Cd, Tl and / or compounds, in particular chalcogenide compounds, and / or alloys and / or mixtures thereof, more preferably Pb, Bi, in particular Pb.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die elektrolytische Umsetzung des Edukts umfassend CO2 zu einer Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat auch bei einer praktischen Zellspannung erfolgen, die viel geringer ist als übliche Spannungen bei der Reduktion von CO2 zu CO, z.B. bei 2,5 - 2,7 V bei üblichen Überspannungen.With the method according to the invention, the electrolytic conversion of the starting material comprising CO 2 to a mixture comprising formic acid and / or formate can also be carried out at a practical cell voltage which is much lower than usual voltages during the reduction of CO 2 to CO, for example at 2.5 - 2.7 V with common overvoltages.

Nach dem Herstellen der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat wird diese aus der ersten Elektrolysezelle geeignet abgeführt, beispielsweise über ein Rohr, einen Schlauch, eine Leitung, etc. Bevor die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat in den ersten Reaktor eingebracht wird, kann sie in einem ersten Behälter zwischengespeichert werden, beispielsweise für eine Lagerung, Einstellen einer geeigneten Konzentration an Ameisensäure und/oder Formiat (z.B. durch Abdampfen), etc. Bei Zwischenspeichern in einem ersten Behälter kann sie auch an einen weiter entfernten ersten Reaktor geliefert werden, sodass auch eine zeitliche und/oder räumliche Trennung zwischen erster Elektrolysezelle und erstem Reaktor möglich ist.After the mixture comprising formic acid and / or formate has been prepared, it is suitably removed from the first electrolytic cell, for example via a tube, a hose, a line, etc. Before the mixture comprising formic acid and / or formate is introduced into the first reactor they are temporarily stored in a first container, for example for storage, setting a suitable concentration of formic acid and / or formate (for example by evaporation), etc. If temporarily stored in a first container, it can also be delivered to a further distant first reactor, so that A temporal and / or spatial separation between the first electrolytic cell and the first reactor is also possible.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat nach dem Abführen aus der ersten Elektrolysezelle und vor dem Einbringen in den ersten Reaktor in einem ersten Behälter zwischengespeichert.According to certain embodiments, the mixture comprising formic acid and / or formate is temporarily stored in a first container after it has been removed from the first electrolytic cell and before being introduced into the first reactor.

Aus dem ersten Behälter kann - so vorhanden und die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat nicht direkt in den ersten Reaktor eingebracht wird, beispielsweise über ein Rohr, einen Schlauch, eine Leitung und/oder eine andere geeignete Verbindungseinrichtung - die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat geeignet in den ersten Reaktor eingebracht werden, beispielsweise über ein Rohr, einen Schlauch, , eine Leitung, etc.If present and the mixture comprising formic acid and / or formate cannot be introduced directly into the first reactor, for example via a pipe, a hose, a line and / or another suitable connecting device, the mixture comprising formic acid and / or or formate can be introduced into the first reactor in a suitable manner, for example via a pipe, a hose, a line, etc.

Im ersten Reaktor kann dann die Freisetzung von CO aus Ameisensäure und/oder Formiat geeignet erfolgen, beispielsweise durch Einstellen einer geeigneten Temperatur, Säurekonzentration, und/oder Anwesenheit eines geeigneten Katalysators, etc., wobei die Maßnahmen nicht besonders beschränkt sind und gängigen Maßnahmen zur Ameisensäurezersetzung entsprechen können. Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt das Freisetzen von CO aus der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat in dem ersten Reaktor durch Dehydratisierung, bevorzugt durch Erhitzen und/oder heterokatalytische Dehydratisierung. Eine geeignete Temperatur ist hierbei nicht besonders beschränkt, und kann beispielsweise auch vom Druck und/oder einem Katalysator, etc., abhängen, und kann beispielsweise 10 - 130 K, bevorzugt 10 - 80 K, oberhalb der Elektrolyttemperatur und/oder der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, die in den ersten Reaktor eingebracht wird, liegen, beispielsweise in einem Bereich von 70°C bis 190°C, z.B. 70°C bis 150°C. Ameisensäure siedet üblicherweise bei Normaldruck unter Zersetzung bei 101°C. Die Zersetzung kann aber auch schon langsam bei Raumtemperatur stattfinden. The release of CO from formic acid and / or formate can then take place in a suitable manner in the first reactor, for example by setting a suitable temperature, acid concentration and / or presence of a suitable catalyst, etc., the measures being not particularly limited and common measures for formic acid decomposition can correspond. According to certain embodiments, CO is released from the mixture comprising formic acid and / or formate in the first reactor by dehydration, preferably by heating and / or heterocatalytic dehydration. A suitable temperature is not particularly limited here, and can also depend, for example, on the pressure and / or a catalyst, etc., and can be, for example, 10-130 K, preferably 10-80 K, above the electrolyte temperature and / or the mixture comprising formic acid and / or formate that is introduced into the first reactor are, for example, in a range from 70 ° C. to 190 ° C., for example 70 ° C. to 150 ° C. Formic acid usually boils at normal pressure with decomposition at 101 ° C. The decomposition can also take place slowly at room temperature.

Insbesondere vorteilhaft ist die Verwendung mindestens einer Säure bei der Freisetzung von CO. Eine Lösung Säure/Ameisensäure ist flüssig, d.h. bei der Zersetzung kann faktisch jeder beliebige Druck aufgebaut werden. Bevorzugt sind Drücke über 1 bar (1*105 Pa), besonders bevorzugt Drücke zwischen 30 bar (30*105 Pa)und 100 bar (100*105 Pa), wie sie beispielsweise in der chemischen Prozessindustrie vorkommen. Dadurch können auch Kompressoren eingespart werden.The use of at least one acid in the release of CO is particularly advantageous. A solution of acid / formic acid is liquid, ie virtually any pressure can be built up during the decomposition. Pressures above 1 bar (1 * 10 5 Pa) are preferred, particularly preferred pressures between 30 bar (30 * 10 5 Pa) and 100 bar (100 * 10 5 Pa), as they occur, for example, in the chemical process industry. This also saves compressors.

Von besonderer Bedeutung ist hier nicht die Zersetzung zu CO, sondern die Synergie hinsichtlich der Zellspannung bei der elektrolytischen Umsetzung in der ersten Elektrolysezelle, welche eine Erniedrigung der Zellspannung erlaubt im Vergleich zur direkten CO-Erzeugung. Entsprechend wird hierbei CO effektiv gebildet. Dieses CO kann dann auf geeignete Weise weiterverwendet werden.Of particular importance here is not the decomposition to CO, but the synergy with regard to the cell voltage during the electrolytic conversion in the first electrolytic cell, which allows a lowering of the cell voltage compared to the direct CO generation. Accordingly, CO is formed effectively. This CO can then be used in a suitable manner.

Insbesondere ist von Vorteil, dass hierdurch letztlich aus CO2 Kohlenwasserstoffe effizient hergestellt werden können. Im Gegensatz zu CO2 kann CO effizient auch in einem basischen Elektrolyten zu Kohlenwasserstoffen umgesetzt werden. Somit lassen sich hier auch gängige Anoden verwenden, im Gegensatz zur üblichen Herstellung von Kohlenwasserstoffen in einer einzigen Elektrolysezelle. Durch die Entkopplung der CO-Herstellung von der elektrolytischen Umsetzung von CO2 ist somit auch eine vorteilhafte weitere Umsetzung möglich.It is particularly advantageous that it can ultimately be used to efficiently produce hydrocarbons from CO 2 . In contrast to CO 2 , CO can also be efficiently converted into hydrocarbons in a basic electrolyte. This means that common anodes can also be used here, in contrast to the usual production of hydrocarbons in a single electrolytic cell. By decoupling the CO production from the electrolytic conversion of CO 2 , an advantageous further conversion is also possible.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird somit das im oben dargelegten erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte CO weiter in einer zweiten Elektrolysezelle zu mindestens einem Kohlenwasserstoff umgesetzt, wobei die Umsetzung bevorzugt in Anwesenheit eines zweiten, basischen Elektrolyten erfolgt. Wie dargelegt kann die Anode hierbei gängige Metalle wie Fe, Ni und/oder NiFe umfassen, und auch das Kathodenmaterial ist nicht besonders beschränkt, wie auch nachfolgend weiter diskutiert.According to certain embodiments, the CO produced in the process according to the invention set out above is thus further converted in a second electrolytic cell to at least one hydrocarbon, the reaction preferably taking place in the presence of a second, basic electrolyte. As stated, the anode can include common metals such as Fe, Ni and / or NiFe, and the cathode material is not particularly limited either, as will be discussed further below.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrolytischen Umsetzung eines Edukts umfassend CO zu einem Gemisch umfassend mindestens einen Kohlenwasserstoff, wobei die Umsetzung in Anwesenheit eines basischen Elektrolyten, insbesondere Anolyten, erfolgt, bevorzugt wobei die Anode Fe, Ni und/oder NiFe umfasst. Hierbei ist das Material der Kathode nicht besonders beschränkt und kann jegliche Materialien umfassen, die eine CO-Umsetzung ermöglichen, beispielsweise ein Metall, das ausgewählt ist aus Cu, Ag, Pd, Pt und/oder Au, bevorzugt Cu, und/oder Legierungen und/oder Verbindungen davon, und/oder Mischungen davon.Another aspect of the present invention relates to a process for the electrolytic conversion of a starting material comprising CO to a mixture comprising at least one hydrocarbon, the reaction taking place in the presence of a basic electrolyte, in particular anolyte, preferably wherein the anode comprises Fe, Ni and / or NiFe . Here, the material of the cathode is not particularly limited and can include any materials that enable CO conversion, for example a metal that is selected from Cu, Ag, Pd, Pt and / or Au, preferably Cu, and / or alloys and / or compounds thereof, and / or mixtures thereof.

Vom CO2/HCO3 -/CO3 2-/OH- Gleichwicht ist nicht nur das Reduktionsprodukt CO betroffen, sondern alle anderen Reduktionsprodukte wie Ethylen, Ethanol, Propanol, Acetat oder die Spurenprodukte Allylalkohol, Ethylenglykol etc.From the CO 2 / HCO 3 - / CO 3 2- / OH - equal wight is not only affected the reduction product CO, but any other reduction products such as ethylene, ethanol, propanol, acetate or the trace products of allyl alcohol, ethylene glycol, etc.

Dies wird am Beispiel von Ethylen erläutert. Als Referenz dient die Gesamtreaktion: 2 CO2 + 2 H2O → C2H4 + 3 O2   ΔH = 1411,07 kJ This is explained using the example of ethylene. The overall reaction serves as a reference: 2 CO 2 + 2 H 2 O → C 2 H 4 + 3 O 2 ΔH = 1411.07 kJ

Mit z = 12 erhält man Ucell, min= 1,22 V.With z = 12 one obtains U cell, min = 1.22 V.

In wässrigem Medium ergibt sich 2 CO2 + 8 H2O + 12e- = C2H4 + 12 OH- ,    ΔH = 365,76 kJIn aqueous medium there are 2 CO 2 + 8 H 2 O + 12e - = C 2 H 4 + 12 OH - , ΔH = 365.76 kJ

Mit z = 12 erhält man UK = 0,32 V.With z = 12 one obtains U K = 0.32 V.

Mit einer sauren Anodenreaktion ergibt sind eine minimale Zellspannung von 1,80 V. Die Differenz entspricht wieder der Neutraliationsenergie/-spannung: 55,08kJ / z = 1 / 0,58 V. With an acidic anode reaction, the minimum cell voltage is 1.80 V. The difference again corresponds to the neutralization energy / voltage: 55.08 kJ / z = 1 / 0.58 V.

Wie in „Reactivity of Copper Electrodes towards Functional Groups and Small Molecules in the Context of CO2 Electro-Reductions“, Bernhard Schmid, Christian Reller, Sebastian S. Neubauer, Maximilian Fleischer, Romano Dorta and Guenter Schmid; Catalysts 2017, 7, 161; doi:10.3390/cata17050161 gezeigt, ergeben die Reduktion von CO2 und CO das nahezu identische Produktspektrum im Kohlenwasserstoffbereich, das CO als wichtigstes Intermediat identifiziert.As in “Reactivity of Copper Electrodes towards Functional Groups and Small Molecules in the Context of CO 2 Electro-Reductions”, Bernhard Schmid, Christian Reller, Sebastian S. Neubauer, Maximilian Fleischer, Romano Dorta and Guenter Schmid; Catalysts 2017, 7, 161; doi: 10.3390 / cata17050161 shown, the reduction of CO 2 and CO result in the almost identical product range in the hydrocarbon sector, which identifies CO as the most important intermediate.

Die Reduktion von CO zu Kohlenwasserstoffen hat gegenüber der von CO2 unter Betrachtung des bisher Vorgestellten einen entscheidenden Vorteil. Für beide Reaktionen sind stark basische Elektrolyte vorteilhaft, wobei im Falle von CO2 das CO2/HCO3 - /CO3 2-/OH- Gleichwicht berücksichtigt werden muss und im Falle von CO nicht.The reduction of CO to hydrocarbons has a decisive advantage over that of CO 2 when considering what has been presented so far. Basic electrolytes are highly advantageous for both reactions, where in the case of CO 2, the CO 2 / HCO 3 - must be equal wight taken into account and in the case of CO not - / CO 3 2- / OH.

Dies bedeutet, dass im Falle von CO der Elektrolyt (Anolyt und Katholyt) insgesamt stark basisch sein kann und z.B. eine KOH-Lösung in Wasser gewählt werden kann. Der basische Elektrolyt ist jedoch nicht besonders beschränkt.This means that in the case of CO, the electrolyte (anolyte and catholyte) as a whole can be strongly basic and e.g. a KOH solution in water can be chosen. However, the basic electrolyte is not particularly limited.

Damit gilt:

  • Kathodenreaktion: 2 CO + 6 H2O + 8e- → C2H4 + 8 OH-    ΔH = 148, 27 kJ
The following applies:
  • Cathode reaction: 2 CO + 6 H 2 O + 8e - → C 2 H 4 + 8 OH - ΔH = 148, 27 kJ

Mit z = 8 erhält man UK = 0,19 V,
Anodenreaktion: 4 OH- - 4 e- → O2 + 2 H2O    ΔH = 348, 44 kJ
With z = 8 one obtains U K = 0.19 V,
Anode reaction: 4 OH - - 4 e - → O 2 + 2 H 2 O ΔH = 348, 44 kJ

Mit z = 4 erhält man UA = 0,90 V.With z = 4 one obtains U A = 0.90 V.

Die minimale Zellspannung ist daher: Ucell = 1,09 V. Diese Spannung ist identisch zu derjenigen aus der Summenreaktion berechneten: 2 CO + 2 H2O → C2H4 + 2 O2    ΔH = 845, 14 kJ The minimum cell voltage is therefore: U cell = 1.09 V. This voltage is identical to that calculated from the sum reaction: 2 CO + 2 H 2 O → C 2 H 4 + 2 O 2 ΔH = 845, 14 kJ

Mit z = 8 erhält man Ucell = 1,09 V.With z = 8 one obtains U cell = 1.09 V.

Die Möglichkeit im Basischen zu arbeiten, bedeutet auch, dass kein Iridium als Anodenmaterial notwendig ist und die klassischen Katalysatoren (Fe, Ni, NiFe etc.) der Alkalielektrolyseure verwendet werden können. Damit wird zusätzlich der Nachteil der Ressourcenlimitierung von Iridium umgangen.The possibility to work in the basic also means that no iridium is necessary as an anode material and the classic catalysts (Fe, Ni, NiFe etc.) of the alkali electrolysers can be used. This also circumvents the disadvantage of Iridium's resource limitation.

Weitergehend betrachtet, bedeutet dies auch, dass es sinnvoll sein kann, CO auch aus fossilen Quellen (Kohlestromvergaser etc.) zu verwenden, um dieses dann mit erneuerbarem Strom z.B. zu Ethylen weiter zu verarbeiten, um ein teilweise grünes Produkt zu erhalten. CO kann auch aus der Zersetzung von Ameisensäure stammen, die wiederum auch CO2 und H2 durch homogene Katalyse zugänglich ist.From a broader perspective, this also means that it can make sense to use CO from fossil sources (coal power gasifier, etc.) in order to then process it with renewable electricity, for example to produce ethylene, in order to obtain a partially green product. CO can also come from the decomposition of formic acid, which in turn is also accessible to CO 2 and H 2 through homogeneous catalysis.

Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen von CO aus CO2 umfassend
eine erste Elektrolyezelle umfassend eine erste Kathode und eine erste Anode zur elektrolytischen Umsetzung eines Edukts umfassend CO2 zu einer Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, die dazu ausgebildet ist, ein Edukt umfassend CO2 zu einer Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat umzusetzen;
eine erste Zuführeinrichtung für ein Edukt umfassend CO2 zur ersten Elektrolysezelle, die mit der ersten Elektrolysezelle dazu ausgebildet ist, ein Edukt umfassend CO2 der ersten Kathode zuzuführen;
eine erste Abführeinrichtung für eine Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, die mit der ersten Elektrolysezelle in einem Bereich zwischen der ersten Kathode und der ersten Anode verbunden ist und die dazu ausgebildet ist, eine Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat aus der ersten Elektrolysezelle abzuführen;
einen ersten Reaktor zum Freisetzen eines Produkts umfassend CO aus der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, der dazu ausgebildet ist, ein Produkt umfassend CO aus der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat freizusetzen;
eine zweite Zuführeinrichtung für die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, die mit dem ersten Reaktor verbunden ist und dazu ausgebildet ist, die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat dem ersten Reaktor zuzuführen; und
eine zweite Abführeinrichtung zum Abführen des Produkts umfassend CO aus dem ersten Reaktor, die dazu ausgebildet ist, das Produkt umfassend CO aus dem ersten Reaktor abzuführen.
In addition, the present invention relates to a device for producing CO from CO 2 comprising
a first Elektrolyezelle comprising comprising CO 2 comprising CO 2 comprising implementing a first cathode and a first anode for the electrolytic reaction of a reactant to a mixture comprising formic acid and / or formate, which is formed to be a starting material to a mixture of formic acid and / or formate;
a first supply device for an educt comprising CO 2 to the first electrolytic cell, which is designed with the first electrolytic cell to supply an educt comprising CO 2 to the first cathode;
a first discharge device for a mixture comprising formic acid and / or formate, which is connected to the first electrolytic cell in a region between the first cathode and the first anode and which is designed to discharge a mixture comprising formic acid and / or formate from the first electrolytic cell ;
a first reactor for releasing a product comprising CO from the mixture comprising formic acid and / or formate, which is designed to release a product comprising CO from the mixture comprising formic acid and / or formate;
a second feed device for the mixture comprising formic acid and / or formate, which is connected to the first reactor and is designed to feed the mixture comprising formic acid and / or formate to the first reactor; and
a second discharge device for discharging the product comprising CO from the first reactor, which is designed to discharge the product comprising CO from the first reactor.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von CO aus CO2 durchgeführt werden. Entsprechend können auch bestimmte Aspekte, welche im Hinblick auf Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben sind, bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Anwendung finden.With the device according to the invention, in particular the method according to the invention for producing CO from CO 2 can be carried out. Correspondingly, certain aspects which are described with regard to embodiments of the method according to the invention can also be used in the device according to the invention.

In der Vorrichtung ist die erste Elektrolysezelle nicht besonders beschränkt, sofern sie eine erste Kathode und eine erste Anode umfasst. Das Material der Kathode ist nicht besonders beschränkt. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst oder enthält die erste Kathode der ersten Elektrolysezelle ein Metall, das ausgewählt ist aus Cu, Bi, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl und/oder Verbindungen, insbesondere chalkogenidische Verbindungen, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, bevorzugt Pb, Bi, Hg, In, Sn, Cd, Tl und/oder Verbindungen, insbesondere chalkogenidische Verbindungen, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, weiter bevorzugt Pb, Bi, insbesondere Pb. Gemäß bestimmten Ausführungsformen besteht die erste Kathode aus einem Metall, das ausgewählt ist aus Cu, Bi, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl und/oder Verbindungen, insbesondere chalkogenidischen Verbindungen, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, bevorzugt Pb, Bi, Hg, In, Sn, Cd, Tl und/oder Verbindungen, insbesondere chalkogenidischen Verbindungen, und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, weiter bevorzugt Pb, Bi, insbesondere Pb.In the device, the first electrolytic cell is not particularly limited, provided that it comprises a first cathode and a first anode. The material of the cathode is not particularly limited. According to certain embodiments, the first cathode of the first electrolytic cell comprises or contains a metal which is selected from Cu, Bi, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl and / or compounds, in particular chalcogenide compounds, and / or alloys and / or Mixtures thereof, preferably Pb, Bi, Hg, In, Sn, Cd, Tl and / or compounds, in particular chalcogenide compounds, and / or alloys and / or mixtures thereof, more preferably Pb, Bi, in particular Pb. According to certain embodiments, the first cathode consists of a metal which is selected from Cu, Bi, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl and / or compounds, in particular chalcogenidic compounds, and / or alloys and / or mixtures thereof, preferably Pb, Bi, Hg, In, Sn, Cd, Tl and / or compounds, in particular chalcogenide compounds, and / or alloys and / or mixtures thereof, more preferably Pb, Bi, in particular Pb.

Die erste Anode ist nicht besonders beschränkt und kann an die Anodenreaktion angepasst sein, auch kann sich das Anodenmaterial abhängig davon unterscheiden, ob eine Kationenaustauschermembran oder eine bipolare Membran vorhanden ist oder nicht.The first anode is not particularly limited and can be adapted to the anode reaction, and the anode material can also differ depending on whether a cation exchange membrane or a bipolar membrane is present or not.

Die erste Zuführeinrichtung ist nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise ein Rohr, ein Schlauch, , eine Leitung, etc. sein. Ebenso ist die erste Abführeinrichtung nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise ein Rohr, ein Schlauch, , eine Leitung, etc. sein. Auch können eine weitere Abführeinrichtung für nicht umgesetztes Edukt umfassend CO2 und/oder eine weitere Zuführeinrichtung für Elektrolyt und/oder Edukt für die Anode und/oder weitere Zu- und/oder Abführeinrichtungen für die erste Elektrolysezelle vorhanden sein, welche auch beispielsweise mit anderen Zuführeinrichtungen verbunden sein können, beispielsweise wenn nicht umgesetztes CO2 zurückgeführt wird. Zudem können Heiz- und/oder Kühleinrichtungen für die erste Elektrolysezelle vorhanden sein.The first feed device is not particularly limited and can be, for example, a pipe, a hose, a line, etc. Likewise, the first discharge device is not particularly limited and can be, for example, a pipe, a hose, a line, etc. A further discharge device for unreacted educt comprising CO 2 and / or a further feed device for electrolyte and / or educt for the anode and / or further feed and / or discharge devices for the first electrolytic cell can also be present, which can also be used, for example, with other feed devices can be connected, for example if unreacted CO 2 is recycled. In addition, there may be heating and / or cooling devices for the first electrolytic cell.

Zudem sind die zweite Zuführeinrichtung und die zweite Abführeinrichtung nicht besonders beschränkt und können beispielsweise ein Rohr, ein Schlauch, eine Leitung, etc. sein. Die zweite Zuführeinrichtung kann mit der ersten Abführeinrichtung verbunden sein oder nicht, und ist beispielsweise nicht direkt mit dieser verbunden, wenn ein erster Behälter zum Zwischenspeicher der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat vorhanden ist.In addition, the second feed device and the second discharge device are not particularly limited and can be, for example, a tube, a hose, a line, etc. The second feed device may or may not be connected to the first discharge device and, for example, is not connected directly to it if a first container for the intermediate storage of the mixture comprising formic acid and / or formate is present.

Der erste Reaktor ist ebenfalls nicht besonders beschränkt. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der erste Reaktor zumindest eine Heizeinrichtung, die nicht besonders beschränkt ist, um eine thermische Zersetzung von Ameisensäure zu begünstigen, z.B. mindestens eine Wärmepumpe, um die Abwärme der Elektrolyse zu nutzen. Bei einer Rückführung des Elektrolyten können auch entsprechende Wärmetauscher vorgesehen werden.The first reactor is also not particularly limited. According to certain embodiments, the first reactor comprises at least one heater, which is not particularly limited to favor thermal decomposition of formic acid, e.g. at least one heat pump to use the waste heat from the electrolysis. Corresponding heat exchangers can also be provided when the electrolyte is returned.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen weist die erste Elektrolysezelle mindestens eine Anionenaustauschermembran zwischen der ersten Anode und der ersten Kathode auf, bevorzugt in einem Bereich der ersten Kathode. Sie kann als MEA oder separat von der Kathode ausgebildet sein.According to certain embodiments, the first electrolytic cell has at least one anion exchange membrane between the first anode and the first cathode, preferably in a region of the first cathode. It can be designed as an MEA or separately from the cathode.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen weist die erste Elektrolysezelle zwischen der ersten Kathode und der ersten Anode in einem Bereich der ersten Anode eine Kationenaustauschermembran oder eine bipolare Membran auf. Auch diese können als MEA oder separat vorgesehen sein.According to certain embodiments, the first electrolytic cell has a cation exchange membrane or a bipolar membrane between the first cathode and the first anode in a region of the first anode. These can also be provided as MEAs or separately.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erste Kathode der ersten Elektrolysezelle ein Metall, das ausgewählt ist aus Cu, Bi, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, bevorzugt Pb, Bi, Hg, In, Sn, Cd, Tl und/oder Legierungen und/oder Mischungen davon, weiter bevorzugt Pb, Bi, insbesondere Pb. According to certain embodiments, the first cathode of the first electrolytic cell comprises a metal which is selected from Cu, Bi, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl and / or alloys and / or mixtures thereof, preferably Pb, Bi, Hg, In , Sn, Cd, Tl and / or alloys and / or mixtures thereof, more preferably Pb, Bi, in particular Pb.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter einen ersten Behälter zum Zwischenspeichern der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, die zwischen der ersten Abführeinrichtung und der ersten Zuführeinrichtung angeordnet ist und die dazu ausgebildet ist, die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat zwischenzuspeichern. Der erste Behälter ist nicht besonders beschränkt. Er kann eine dritte Abführeinrichtung umfassen, welche dazu ausgebildet ist, die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat nach dem Zwischenspeichern abzuführen. Die dritte Abführeinrichtung kann mit der zweiten Zuführeinrichtung verbunden sein oder nicht.According to certain embodiments, the device according to the invention further comprises a first container for temporarily storing the mixture comprising formic acid and / or formate, which is arranged between the first discharge device and the first supply device and which is designed to temporarily store the mixture comprising formic acid and / or formate. The first container is not particularly limited. It can comprise a third discharge device, which is designed to discharge the mixture comprising formic acid and / or formate after the intermediate storage. The third discharge device may or may not be connected to the second feed device.

Auch kann der erste Behälter weitere Abführeinrichtungen aufweisen, beispielsweise für nicht umgesetztes CO2 und/oder Zerfallsprodukte der Ameisensäure und/oder Wasser, welches abgedampft werden kann zur Konzentrierung der Ameisensäure und/oder des Formiats. Entsprechend kann auch der erste Behälter mindestens eine Heizeinrichtung umfassen.The first container can also have further discharge devices, for example for unreacted CO 2 and / or decay products of formic acid and / or water, which can be evaporated to concentrate the formic acid and / or the formate. Correspondingly, the first container can also comprise at least one heating device.

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 described above or below with reference to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. 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 is explained in more detail below with reference to various examples thereof. However, the invention is not limited to these examples.

BeispieleExamples

Beispiel 1example 1

Ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren sowie eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung sind schematisch in der 13 schematisch dargestellt.An exemplary method according to the invention and an exemplary device according to the invention are shown schematically in FIG 13 shown schematically.

Die Ameisensäure wird elektrochemisch in der ersten Elektrolysezelle 10 an der ersten Kathode 11 hergestellt, wobei an der ersten Anode 12 Wasser als Elektrolyt elektrolysiert wird. An der ersten Anode 12 findet sich eine Kationenaustauschermembran, und an der ersten Kathode 11 eine Anionenaustauschermembran AEM. Das Edukt umfassend CO2 wird über die erste Zuführeinrichtung 13 zugeführt, und die Mischung umfassend Ameisensäure über die erste Abführeinrichtung mittels der Leitung 14 zu einem ersten Behälter 20 geleitet. Darüber hinaus ist ein Auslass für Sauerstoff auf Anodenseite vorgesehen.The formic acid becomes electrochemical in the first electrolytic cell 10th on the first cathode 11 manufactured, being on the first anode 12th Water is electrolyzed as an electrolyte. At the first anode 12th there is a cation exchange membrane, and on the first cathode 11 an anion exchange membrane AEM. The educt comprising CO 2 is via the first feed device 13 supplied, and the mixture comprising formic acid via the first discharge device by means of the line 14 to a first container 20 headed. There is also an outlet for oxygen on the anode side.

Im Behälter 20 wird die Mischung umfassend Ameisensäure zwischengespeichert, der bevorzugt gleichzeitig zur Abtrennung weiterer Gas wie überschüssiges CO2 oder den Nebenprodukten H2 oder CH4 dient. Dieses Gefäß kann, muss aber nicht, als Elektrolytreservoir und/oder Ameisensäurespeicher dienen. Elektrolyt kann beispielsweise über die Leitung 15 zur ersten Elektrolysezelle 10 rückgeführt werden, ebenso nicht umgesetztes CO2 über die Leitung 16.In the container 20 the mixture comprising formic acid is temporarily stored, which preferably serves at the same time for the removal of further gas such as excess CO 2 or the by-products H 2 or CH 4 . This vessel can, but does not have to, serve as an electrolyte reservoir and / or formic acid store. Electrolyte can, for example, via the line 15 to the first electrolytic cell 10th be recycled, as well as unreacted CO 2 via the line 16 .

Die Prozesskette kann an dieser Stelle auch räumlich und zeitlich getrennt werden. Der Ameisensäuregehalt kann beispielsweise zwischen 1 - 100 % liegen, kann im Laufe der Elektrolyse bis zu einem bevorzugten Grenzwert im Bereich von 5 - 90% eingestellt werden. Nach Überführen der Mischung umfassend Ameisensäure über die Leitung 21 wird im zweiten Prozessschritt dann reines CO im ersten Reaktor 30 durch Dehydratisierung der Ameisensäure freigesetzt, wodurch der Ameisensäuregehalt wieder sinkt. Die Zersetzung wird beispielsweise durch Erhitzen oder heterokatalytische Dehydratisierung erreicht, welche nicht im Detail dargestellt sind. Über Leitung 22 kann nicht zersetzte Ameisensäure zum ersten Behälter 20 rückgeführt werden.The process chain can also be spatially and temporally separated at this point. The formic acid content can be, for example, between 1 and 100%, and can be adjusted in the course of the electrolysis to a preferred limit in the range of 5 to 90%. After transferring the mixture comprising formic acid via the line 21 becomes pure CO in the first reactor in the second process step 30th released by dehydration of the formic acid, whereby the formic acid content drops again. The decomposition is achieved, for example, by heating or heterocatalytic dehydration, which are not shown in detail. Via line 22 can not decompose formic acid to the first container 20 be returned.

Im ersten Behälter 20 kann beispielsweise eine geeignete Temperatur von z.B. 60°C eingestellt werden für die Lagerung, wobei hier der Elektrolyt ggf. auch gepuffert sein kann. Im ersten Reaktor kann die Temperatur dann auf eine geeignete Temperatur von z.B. 10 bis 80 K oberhalb der Elektrolyttemperatur erhöht werden und/oder eine Komprimierung stattfinden, um die Freisetzung von CO zu erleichtern. Je nach Zersetzung - z.B. mit einem geeigneten Katalysator - kann CO2-armes oder sogar CO2-freies CO erhalten werden.In the first container 20 For example, a suitable temperature of, for example, 60 ° C. can be set for storage, the electrolyte here also possibly being buffered. The temperature in the first reactor can then be raised to a suitable temperature of, for example, 10 to 80 K above the electrolyte temperature and / or compression to facilitate the release of CO. Depending on the decomposition - for example with a suitable catalyst - low CO 2 or even CO 2 free CO can be obtained.

Beispiel 2Example 2

Der Aufbau entspricht dem des Beispiels 1, wobei anstelle einer CEM eine bipolare Membran verwendet wird.The structure corresponds to that of Example 1, with a bipolar membrane being used instead of a CEM.

Beispiel 3Example 3

Der Aufbau entspricht dem des Beispiels 1, wobei auf Kathodenseite keine AEM vorhanden ist und insbesondere eine Pbhaltige Kathode verwendet wird. Beispielsweise ist die Überspannung an Bleielektroden für Wasserstoff sehr hoch, sodass ggf. auch in sauren Elektrolyten gearbeitet werden kann (s. auch Beispiel 5). Wie oben beschrieben liefern Bleielektroden bei der CO2-Elektrolyse Formiat. Der lokale pH-Wert der Elektrode wird umso basischer, je höher die Stromdichte ist, bei der sie betrieben wird d.h. es ist zu erwarten, dass bei höheren Stromdichten die Formiat-Ausbeute sogar höher wird als bei niedrigeren.The structure corresponds to that of Example 1, but there is no AEM on the cathode side and in particular a Pb-containing cathode is used. For example, the overvoltage on lead electrodes for hydrogen is very high, so that it may also be possible to work in acidic electrolytes (see also Example 5). As described above, lead electrodes provide formate in CO 2 electrolysis. The local pH of the electrode becomes more basic, the higher the current density at which it is operated, ie it can be expected that the formate yield will be even higher at higher current densities than at lower ones.

Beispiel 4Example 4

Im Aufbau des Beispiels 1 wird anstelle von Wasser als Elektrolyt Wasser mit einem Salz wie K2SO4 verwendet.In the structure of Example 1, water with a salt such as K 2 SO 4 is used as the electrolyte instead of water.

Beispiel 5Example 5

Im Aufbau des Beispiels 1 wird anstelle von Wasser als Elektrolyt Wasser mit einer Säure wie Schwefelsäure verwendet. Insbesondere in diesem Beispiel kann auch wiederum auf die AEM verzichtet werden, insbesondere wenn die erste Kathode 11 Pb umfasst. Hierbei ist vorteilhaft, das Pb eine hohe Überspannung gegenüber Wasserstoff von -0,71 V hat.In the structure of Example 1, water with an acid such as sulfuric acid is used as the electrolyte instead of water. In this example in particular, the AEM can also be dispensed with, in particular if the first cathode 11 Pb includes. It is advantageous here that the Pb has a high overvoltage against hydrogen of -0.71 V.

Referenzbeispiel 1Reference example 1

Für verschiedene Mischungen von Ameisensäure als möglichem Produkt, Wasser als möglichen Elektrolyten und/oder Schwefelsäure oder Kaliumsulfat als möglicher Elektrolytzusatz wurden Leitfähigkeitsmessungen durchgeführt.Conductivity measurements were carried out for various mixtures of formic acid as a possible product, water as a possible electrolyte and / or sulfuric acid or potassium sulfate as a possible electrolyte additive.

Die Mischungen in 14 und 15 wurden durch Abwiegen geeignet eingestellt. Für 16 wurden die Anfangsmischungen durch Abwiegen eingestellt, danach wurde Schwefelsäure durch Abwiegen schrittweise zugegeben. Die Leitfähigkeit wurde mit einem üblichen Leitfähigkeitssensor bestimmt.The blends in 14 and 15 were adjusted appropriately by weighing. For 16 the initial mixtures were adjusted by weighing, after which sulfuric acid was gradually added by weighing. The conductivity was determined using a conventional conductivity sensor.

Die Ergebnisse der Messungen sind in 14 bis 16 gezeigt.The results of the measurements are in 14 to 16 shown.

In 14 sind die Messungen von Mischungen von Ameisensäure mit K2SO4 gezeigt, wobei die elektrische Leitfähigkeit gegen den Massenanteil an K2SO4 in Gew.% aufgetragen ist.In 14 the measurements of mixtures of formic acid with K 2 SO 4 are shown, the electrical conductivity being plotted against the mass fraction of K 2 SO 4 in% by weight.

Für die Messergebnisse in 15 wurden Mischungen von Ameisensäure und Schwefelsäure verwendet, wobei hier die x-Achse den Massenanteil an Schwefelsäure in Gew.% darstellt.For the measurement results in 15 Mixtures of formic acid and sulfuric acid were used, the x-axis here representing the mass fraction of sulfuric acid in% by weight.

Für die Messungen in 16 wurden verschiedene Mischungen von Wasser und Ameisensäure hergestellt, wobei die Mischverhältnisse [m/m] für die einzelnen Graphen angegeben sind. Als Referenz wurde zudem 100% Wasser aufgetragen.For the measurements in 16 Various mixtures of water and formic acid were produced, the mixing ratios [m / m] being given for the individual graphs. 100% water was also applied as a reference.

Die Mischungen sowie das Wasser wurden mit Schwefelsäure vermischt und der Massenanteil an Schwefelsäure in Gew.% in Bezug auf die Mischungen auf der x-Achse aufgetragen.The mixtures and the water were mixed with sulfuric acid and the mass fraction of sulfuric acid in% by weight with respect to the mixtures was plotted on the x-axis.

In den 14 bis 16 zeigt sich, dass durch Zusatz von Salz oder Säure die schlechte Leitfähigkeit von Ameisensäure - einem möglichen Zwischenprodukt im vorliegenden Verfahren zur Herstellung von CO - erhöht werden kann, sodass sie auch technisch relevante Werte annehmen kann.In the 14 to 16 it can be seen that the addition of salt or acid can increase the poor conductivity of formic acid - a possible intermediate in the present process for the production of CO - so that it can also assume technically relevant values.

CO2 lässt sich elektrochemisch zu CO in einem Schritt reduzieren. Nachteilig ist jedoch, dass sich aus den entstehenden Hydroxid-Ionen mit überschüssigem CO2 Hydrogencarbonat bildet. Diese Reaktion ist die Ursache für einen Energie (besser-Exergie) Verlust der investierten elektrischen Energie. Hierbei werden 28% der eingesetzten elektrischen Energie in Wärme umgesetzt.CO 2 can be reduced electrochemically to CO in one step. However, it is disadvantageous that the hydroxide ions formed form with excess CO 2 hydrogen carbonate. This reaction is the cause of an energy (better-exergy) loss of the electrical energy invested. Here, 28% of the electrical energy used is converted into heat.

Dieser Verlust kann synergistisch auf ca. 16% (280 mV) reduziert werden, wenn man einen elektrochemischen und einen thermochemischen Schritt kombiniert.

  1. a. Die elektrochemische Herstellung von Ameisensäure und/oder Formiat aus CO2
  2. b. Die thermochemische, beispielsweise säurekatalysierte, Spaltung von Ameisensäure in das Zielprodukt CO und H2O.
This loss can be synergistically reduced to approximately 16% (280 mV) if an electrochemical and a thermochemical step are combined.
  1. a. The electrochemical production of formic acid and / or formate from CO 2
  2. b. The thermochemical, for example acid-catalyzed, splitting of formic acid into the target product CO and H 2 O.

Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich, da beide Prozesse kombiniert werden können, ohne dass die Ameisensäure rein dargestellt werden muss. Das Elektrolytvolumen stellt gleichzeitig ein Speichervolumen für Ameisensäure bzw. CO dar. Säure bzw. salzartige Zusätze erhöhen sowohl die Leitfähigkeit als auch sind sie Steuergrößen für die thermische Freisetzung des CO.Preferred embodiments result because the two processes can be combined without the formic acid having to be presented in pure form. The electrolyte volume also represents a storage volume for formic acid or CO. Acid or salt-like additives both increase the conductivity and are control variables for the thermal release of the CO.

Claims (15)

Verfahren zum Herstellen von CO aus CO2 umfassend elektrolytische Umsetzung eines Edukts umfassend CO2 zu einer Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat in einer ersten Elektrolysezelle, Abführen der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, Einbringen der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat in einen ersten Reaktor, und Freisetzen eines Produkts umfassend CO aus der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat in dem ersten Reaktor.Process for producing CO from CO 2 comprising electrolytic conversion of a starting material comprising CO 2 to a mixture comprising formic acid and / or formate in a first electrolysis cell, removing the mixture comprising formic acid and / or formate, introducing the mixture comprising formic acid and / or formate into a first reactor, and releasing a product comprising CO from the mixture comprising formic acid and / or formate in the first reactor. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein, bevorzugt wässriger, erster Elektrolyt der elektrolytischen Umsetzung des Edukts umfassend CO2 zu einer Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat eine Säure und/oder ein Formiatsalz und/oder ein Sulfatsalz umfasst, weiter bevorzugt eine flüssige Säure.Procedure according to Claim 1 , wherein a, preferably aqueous, first electrolyte of the electrolytic conversion of the starting material comprising CO 2 to a mixture comprising formic acid and / or formate comprises an acid and / or a formate salt and / or a sulfate salt, more preferably a liquid acid. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zwischen einer ersten Kathode und einer ersten Anode der ersten Elektrolysezelle zumindest eine Anionenaustauschermembran, bevorzugt in einem Bereich der ersten Kathode, vorhanden ist.Procedure according to Claim 2 , wherein at least one anion exchange membrane, preferably in a region of the first cathode, is present between a first cathode and a first anode of the first electrolytic cell. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrolysezelle zwischen einer ersten Kathode und einer ersten Anode in einem Bereich der ersten Anode eine Kationenaustauschermembran oder eine bipolare Membran aufweist.Method according to one of the preceding claims, wherein the first electrolytic cell between a first cathode and a first anode in a region of the first anode has a cation exchange membrane or a bipolar membrane. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei eine Kathode der ersten Elektrolysezelle ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus Cu, Bi, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl, bevorzugt Pb, Bi, Hg, In, Sn, Cd, Tl, weiter bevorzugt Pb, Bi.Method according to one of the preceding claims, wherein a cathode of the first electrolytic cell comprises a metal which is selected from Cu, Bi, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl, preferably Pb, Bi, Hg, In, Sn, Cd, Tl, more preferably Pb, Bi. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat nach dem Abführen aus der ersten Elektrolysezelle und vor dem Einbringen in den ersten Reaktor in einem ersten Behälter zwischengespeichert wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the mixture comprising formic acid and / or formate is temporarily stored in a first container after removal from the first electrolysis cell and before introduction into the first reactor. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der Gehalt an Ameisensäure und/oder Formiat in der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat nach der elektrolytischen Umsetzung des Edukts umfassend CO2 in einem Bereich von 0,5 Gew.% oder mehr und 100 Gew.% oder weniger, bevorzugt 1 Gew.% oder mehr und 95 Gew.% oder weniger, weiter bevorzugt 5 Gew.% oder mehr und 90 Gew.% oder weniger liegt.Method according to one of the preceding claims, wherein the content of formic acid and / or formate in the mixture comprising formic acid and / or formate after the electrolytic reaction of the educt comprising CO 2 in a range of 0.5 wt.% Or more and 100 wt. % or less, preferably 1% or more and 95% or less, more preferably 5% or more and 90% or less. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Freisetzen von CO aus der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat in dem ersten Reaktor durch Dehydratisierung, bevorzugt durch Erhitzen und/oder heterokatalytische Dehydratisierung, erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the release of CO from the mixture comprising formic acid and / or formate in the first reactor is carried out by dehydration, preferably by heating and / or heterocatalytic dehydration. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das CO weiter in einer zweiten Elektrolysezelle zu mindestens einem Kohlenwasserstoff umgesetzt wird, wobei die Umsetzung bevorzugt in Anwesenheit eines zweiten, basischen Elektrolyten erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the CO is further converted in a second electrolytic cell to at least one hydrocarbon, the reaction preferably taking place in the presence of a second, basic electrolyte. Verfahren zur elektrolytischen Umsetzung eines Edukts umfassend CO zu einem Gemisch umfassend mindestens einen Kohlenwasserstoff, wobei die Umsetzung in Anwesenheit eines basischen Elektrolyten erfolgt, bevorzugt wobei die Anode Fe, Ni und/oder NiFe umfasst. Process for the electrolytic conversion of a starting material comprising CO to a mixture comprising at least one hydrocarbon, the reaction taking place in the presence of a basic electrolyte, preferably the anode comprising Fe, Ni and / or NiFe. Vorrichtung zum Herstellen von CO aus CO2 umfassend eine erste Elektrolysezelle umfassend eine erste Kathode und eine erste Anode zur elektrolytischen Umsetzung eines Edukts umfassend CO2 zu einer Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, die dazu ausgebildet ist, ein Edukt umfassend CO2 zu einer Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat umzusetzen; eine erste Zuführeinrichtung für ein Edukt umfassend CO2 zur ersten Elektrolysezelle, die mit der ersten Elektrolysezelle dazu ausgebildet ist, ein Edukt umfassend CO2 der ersten Kathode zuzuführen; eine erste Abführeinrichtung für eine Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, die mit der ersten Elektrolysezelle in einem Bereich zwischen der ersten Kathode und der ersten Anode verbunden ist und die dazu ausgebildet ist, eine Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat aus der ersten Elektrolysezelle abzuführen; einen ersten Reaktor zum Freisetzen eines Produkts umfassend CO aus der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, der dazu ausgebildet ist, ein Produkt umfassend CO aus der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat freizusetzen; eine zweite Zuführeinrichtung für die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, die mit dem ersten Reaktor verbunden ist und dazu ausgebildet ist, die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat dem ersten Reaktor zuzuführen; und eine zweite Abführeinrichtung zum Abführen des Produkts umfassend CO aus dem ersten Reaktor, die dazu ausgebildet ist, das Produkt umfassend CO aus dem ersten Reaktor abzuführen.Apparatus for producing CO from CO 2 comprising a first electrolytic cell comprising a first cathode and a first anode for the electrolytic conversion of a starting material comprising CO 2 to a mixture comprising formic acid and / or formate, which is designed to form a starting material comprising CO 2 to one To implement a mixture comprising formic acid and / or formate; a first supply device for an educt comprising CO 2 to the first electrolytic cell, which is designed with the first electrolytic cell to supply an educt comprising CO 2 to the first cathode; a first discharge device for a mixture comprising formic acid and / or formate, which is connected to the first electrolytic cell in a region between the first cathode and the first anode and which is designed to discharge a mixture comprising formic acid and / or formate from the first electrolytic cell ; a first reactor for releasing a product comprising CO from the mixture comprising formic acid and / or formate, which is designed to release a product comprising CO from the mixture comprising formic acid and / or formate; a second feed device for the mixture comprising formic acid and / or formate, which is connected to the first reactor and is designed to feed the mixture comprising formic acid and / or formate to the first reactor; and a second discharge device for discharging the product comprising CO from the first reactor, which is designed to discharge the product comprising CO from the first reactor. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die erste Elektrolysezelle mindestens eine Anionenaustauschermembran zwischen der ersten Anode und der ersten Kathode aufweist, bevorzugt in einem Bereich der ersten Kathode.Device after Claim 11 , wherein the first electrolytic cell has at least one anion exchange membrane between the first anode and the first cathode, preferably in a region of the first cathode. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die erste Elektrolysezelle zwischen der ersten Kathode und der ersten Anode in einem Bereich der ersten Anode eine Kationenaustauschermembran oder eine bipolare Membran aufweistDevice after Claim 11 or 12th , wherein the first electrolytic cell between the first cathode and the first anode in a region of the first anode has a cation exchange membrane or a bipolar membrane Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die erste Kathode der ersten Elektrolysezelle ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus Cu, Bi, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl, bevorzugt Pb, Bi, Hg, In, Sn, Cd, Tl, weiter bevorzugt Pb.Device according to one of the Claims 11 to 13 , wherein the first cathode of the first electrolytic cell comprises a metal which is selected from Cu, Bi, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl, preferably Pb, Bi, Hg, In, Sn, Cd, Tl, more preferably Pb . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, weiter umfassend einen ersten Behälter zum Zwischenspeichern der Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat, die zwischen der ersten Abführeinrichtung und der ersten Zuführeinrichtung angeordnet ist und die dazu ausgebildet ist, die Mischung umfassend Ameisensäure und/oder Formiat zwischenzuspeichern.Device according to one of the Claims 11 to 14 , further comprising a first container for temporarily storing the mixture comprising formic acid and / or formate, which is arranged between the first discharge device and the first supply device and which is designed to temporarily store the mixture comprising formic acid and / or formate.
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