DE102019209759A1

DE102019209759A1 - Elektrolysesystem und Verfahren zur Herstellung von Peroxydicarbonat

Info

Publication number: DE102019209759A1
Application number: DE102019209759.6A
Authority: DE
Inventors: Günter Schmid; Thomas Reichbauer; Christian Reller; Kim-Marie Vetter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2021-01-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem (10) zur Herstellung von A2C2O6, wobei A ausgewählt ist aus der Gruppe der Alkaliionen. Das Elektrolysesystem (10) umfasst eine erste Elektrolysezelle (12a) mit einem Kathodenraum (14), in welchem wenigstens eine Kathode (16) zur Umsetzung von CO2zu einem ersten Produkt angeordnet ist, eine zweite Elektrolysezelle (12b) mit einem Anodenraum (18), in welchem wenigstens eine galvanisch mit der Kathode (16) gekoppelte Anode (20) zur Umsetzung von A2CO3zu einem zweiten Produkt, welches zumindest A2C2O6umfasst, angeordnet ist, eine ionenleitende Membran (22) zum Ionenaustausch zwischen dem Kathodenraum (14) und dem Anodenraum (18), eine erste Zuführeinrichtung (24a), mittels welcher dem Kathodenraum (14) zumindest CO2zuführbar ist, eine zweite Zuführeinrichtung (24b), mittels welcher dem Anodenraum (18) zumindest A2CO3zuführbar ist, eine erste Abführeinrichtung (28a), welche mit dem Kathodenraum (14) verbunden und dazu ausgebildet ist, das erste Produkt aus dem Kathodenraum (14) abzuführen, und eine zweite Abführeinrichtung (28b), welche mit dem Anodenraum (18) verbunden und dazu ausgebildet ist, das zweite Produkt aus dem Anodenraum (18) abzuführen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von A2C2O6.

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem und ein Verfahren zur Herstellung von A₂C₂O₆, wobei A ausgewählt ist aus der Gruppe der Alkaliionen.
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.
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.
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.
Zum aktuellen Zeitpunkt werden CO₂-Elektrolysen unsymmetrisch geführt: An der Kathode wird CO₂ reduziert und an der Anode H₂O oxidiert. Die ablaufenden Reaktionen sind die folgenden:

Kathode: CO₂ + 2 e^- + H₂O → CO + 2 OH^-

Anode: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e^-

Gesamt: 2 CO₂ + 4 H₂O → 2 CO + O₂ + 4 OH^- + 4 H⁺
Da die Halbzellenreaktionen örtlich getrennt voneinander stattfinden, können die an der Anode entstehenden Protonen die an der Kathode entstehenden Hydroxidionen nicht direkt zu Wasser neutralisieren. Stattdessen agieren letztere an der Kathode und im gesamten Kathodenraum als Reaktionspartner für physikalisch gelöstes CO₂ unter Bildung von Hydrogencarbonat: CO₂ + OH^- → HCO₃ ^-
Im stärker alkalischen pH-Bereich wird analog Carbonat gebildet: CO₂ + 2 OH^- → CO₃ ^2- + H₂O
Diese Prozesse stellen eine reversible chemische Bindung des CO₂ im Elektrolyten dar. Der Umfang und damit die Auswirkung dieser Nebenreaktion sind immens, da für jedes elektrochemisch verwertete CO₂-Molekül zwei Hydroxidionen gebildet werden und somit potenziell (je nach pH-Wert) bis zu zwei weitere CO₂-Moleküle gebunden werden und für die elektrochemische Verwertung an der Kathode somit nicht mehr zur Verfügung stehen.
Infolge der Protonenerzeugung an der Anode erfolgt jedoch eine Freisetzung des auf diese Weise gebundenen CO₂, die je nach Auslegung der Elektrolysezelle entweder im Elektrolyten, an einer Membrankontaktfläche oder direkt an der Anode erfolgt. Diese verläuft über die instabile Zwischenstufe der Kohlensäure (H₂CO₃) und kann sowohl vom Carbonat als auch vom Hydrogencarbonat ausgehen: CO₃ ^2- + 2 H⁺ → [H₂CO₃] → H₂O + CO₂ (g) HCO₃ ^2- + H⁺ → [H₂CO₃] → H₂O + CO₂ (g)
Im Fall eines Ausgasens im Elektrolyten oder an einer Membran kommt er zur Entstehung von Gasblasen im ionischen Strompfad, was sich negativ auf die ionische Leitfähigkeit und somit auf die Gesamtperformance der Zelle auswirkt. Im Fall einer direkten Gasentwicklung an der Anode, wo die Protonen entstehen, wird an der Anode ein Gemisch aus O₂ und CO₂ frei. Derlei Gasgemische sind zum aktuellen Zeitpunkt weder effizient trennbar, noch wirtschaftlich nutzbar, da aus Sicherheitsgründen klassische Verfahren zur CO₂-Abtrennung (z.B. Amin- oder Methanolwäsche) nicht zur Anwendung kommen können und Verfahren wie Ausfrieren zu energieaufwändig sind.
Das Gemisch aus O₂ und CO₂ muss somit als Abfall betrachtet werden, wodurch die unkontrollierte CO₂-Freisetzung gravierende Nachteile mit sich bringt. Ersten ist die Verschwendung von bis zu zwei Dritteln des eingesetzten CO₂-Gases kostenineffizient und umwelttechnisch bedenklich. Für die Entsorgung des Gasgemischs würden zudem weitere Kosten anfallen. Zweitens wird an der Anode kein Wertprodukt geschaffen. Somit bleibt ein großer Teil der eingesetzten elektrochemischen Energie ungenutzt, was aus Umwelt- und Kostengesichtspunkten ebenfalls nachteilig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Kohlenstoffdioxidverwertung zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Elektrolysesystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 zur Herstellung von A₂C₂O₆, durch ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von A₂C₂O₆ gemäß Patentanspruch 12 sowie durch die Verwendung von A₂CO₃ als Edukt zur insbesondere kontinuierlichen elektrochemischen Herstellung von A₂C₂O₆ gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem zur Herstellung von A₂C₂O₆, wobei A ausgewählt ist aus der Gruppe der Alkaliionen. Das Elektrolysesystem umfasst erfindungsgemäß mindestens eine erste Elektrolysezelle mit einem Kathodenraum, in welchem wenigstens eine Kathode zur Umsetzung von CO₂ zu einem ersten Produkt angeordnet ist, mindestens eine zweite Elektrolysezelle mit einem Anodenraum, in welchem wenigstens eine galvanisch mit der Kathode gekoppelte Anode zur Umsetzung von A₂CO₃ zu einem zweiten Produkt, welches zumindest A₂C₂O₆ umfasst, angeordnet ist, mindestens eine ionenleitende Membran zum Ionenaustausch zwischen dem Kathodenraum und dem Anodenraum, mindestens eine erste Zuführeinrichtung, mittels welcher dem Kathodenraum zumindest CO₂ zuführbar ist, mindestens eine zweite Zuführeinrichtung, mittels welcher dem Anodenraum zumindest A₂CO₃ zuführbar ist, mindestens eine erste Abführeinrichtung, welche mit dem Kathodenraum verbunden und dazu ausgebildet ist, das erste Produkt aus dem Kathodenraum abzuführen, und mindestens eine zweite Abführeinrichtung, welche mit dem Anodenraum verbunden und dazu ausgebildet ist, das zweite Produkt aus dem Anodenraum abzuführen. Das erfindungsgemäße Elektrolysesystem erlaubt eine elektrochemische Kohlenstoffdioxidverwertung, bei welcher insbesondere die bisherige Problematik an der Anodenseite der Elektrolysezelle vermieden wird, da durch eine produktive Anodenreaktion Peroxydicarbonat (C₂O₆ ^2-) bzw. ein Alkalisalz davon als Wertstoff gemäß der Reaktionsgleichung 2 CO₃ ^2- - 2 e^- → C₂O₆ ^2- gebildet wird. Dabei können generell Faradayeffizienzen von bis zu ca. 90 % erreicht werden. Da das anodische Produkt ein Salz ist, welches im Anolyten gelöst vorliegt, kann es einfach aus dem Anodenraum entfernt werden. In einfachster Ausgestaltung können mit Hilfe des Elektrolysesystem beispielsweise folgende Reaktionen im Kathodenraum und im Anodenraum durchgeführt werden:

Anode: 2 A₂CO₃ - 2 e^- → A₂C₂O₆ + 2 A⁺

Kathode: 2 CO₂ + 2 e^- → CO + CO₃ ^2-

Gesamt: 2 CO₂ + A₂CO₃ → CO + A₂C₂O₆ (theoretisch)
A steht dabei für ein Alkaliion aus der Gruppe Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺ und Cs⁺ bzw. für eine beliebige Kombination davon. Bevorzugt sind insbesondere Na⁺ und/oder K⁺. Dabei können Faraday-Effizienzen von über 90% für die CO-Produktion erreicht werden. Das zweite Produkt (Alkali)Peroxydicarbonat besitzt im Vergleich zu Percarbonat und Wasserstoffperoxid eine verbesserte Bleichfähigkeit und kann vorteilhaft für entsprechende Bleichanwendung, aber auch zur Desodorierung, zur Entfernung von Schadstoffen, für Desinfektionszwecke und dergleichen verwendet werden. Generell sind „ein/eine“ im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel zu lesen, also ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als „mindestens ein/mindestens eine“. Umgekehrt können „ein/eine“ auch als „nur ein/nur eine“ verstanden werden. Unter Ausdrücken wie „ausgebildet zu“, „eingerichtet zu“ und dergleichen sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung Einrichtungen zu verstehen, die nicht nur eine allgemeine Eignung zur Durchführung der entsprechenden Schritte besitzen, sondern konkret durch hard- und/oder softwareseitige Maßnahmen zur Durchführung der betreffenden Schritte ausgebildet sind und diese bei einer bestimmungsgemäßen Benutzung auch durchführen bzw. durchführen können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Pumpeinrichtung vorgesehen, mittels welcher ein Fluid zwischen dem Kathodenraum und dem Anodenraum transportierbar ist. Hierdurch können insbesondere Alkaliionen zwischen einem Katholyten im Kathodenraum und einem Anolyten im Anodenraum transportiert werden, um jeweilige Anreicherungen bzw. Verarmungen auszugleichen. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen oder batchweisen Konzentrationsausgleich, wodurch ein kontinuierlicher Betrieb des Elektrolysesystems und damit eine großtechnische Anwendung ermöglicht sind.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die Pumpeinrichtung in Abhängigkeit einer Konzentration von A-Kationen, H⁺-Ionen, CO₂ oder einer Kombination hieraus in einem Katholyten und/oder in einem Anolyten steuerbar und/oder regelbar ist. Dies ermöglicht einen gesteuerten bzw. geregelten Konzentrationsausgleich zwischen Katholyt und Anolyt, so dass im Kathodenraum und im Anodenraum die jeweils optimalen Reaktionsbedingungen eingestellt bzw. aufrechterhalten werden können. Die Steuereinrichtung kann in manchen Ausführungsformen mit einem oder mehreren Sensoren zur Konzentrationsermittlung gekoppelt sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ionenleitende Membran eine kationenleitende Membran, insbesondere zum Leiten von A-Kationen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum, ist. Das erfindungsgemäße Elektrolysesystem benötigt eine permanente Zuführung von A₂CO₃ auf der Anodenseite, um die Umsetzung zu A₂C₂O₆ zu ermöglichen. Gleichzeitig entstehen an der Anodenseite durch die Oxidationsreaktion A-Kationen, die zwar pH-neutral sind aber dennoch zu Zwecken des Ladungsausgleichs in den Kathodenraum bzw. den Katholyten transportiert werden müssen. Dies kann vorteilhaft über eine kationenleitende Membran (CEM) erfolgen. Diese Membran, welche beispielsweise aus Nafion oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann, ist permeabel für die A-Kationen, welche dann die Ladungen der kathodenseitig entstehenden Carbonationen ausgleichen können. Das sich hierdurch im Katholyten anreichernde A₂CO₃ kann in manchen Ausführungsformen beispielsweise mit Hilfe der vorgenannten Pumpeinrichtung - gegebenenfalls konzentrationsgesteuert bzw. batchweise oder kontinuierlich - der Anodenseite wieder zugeführt werden. Im Fall einer CEM als ionenleitende Membran wird gemeinsam mit den Kaliumkationen auch jeweils eine Hydrathülle vom Anoden- in den Kathodenraum transportiert. Dieser Wassertransport ist im Wesentlichen unschädlich, da die im Grunde getrennten Elektrolytkreisläufe über einen Salzausgleich verbunden sein können. Dieser ermöglicht einen Konzentrationsausgleich und gegebenenfalls in Kombination mit einer Abtrennung der gebildeten Produkte (insbesondere des Peroxydicarbonats) einen besonders vorteilhaften kontinuierlichen Betrieb des Elektrolysesystems.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die ionenleitende Membran eine anionenleitende Membran (AEM), insbesondere zum Leiten von OH^- und/oder HCO₃ ^- und/oder CO₃ ^2- Ionen aus dem Kathodenraum in den Anodenraum, ist. Analog zur Verwendung einer CEM kommen auch hier getrennte Elektrolytkreisläufe zum Einsatz. Der Transport der negativ geladenen Ionen verläuft im Vergleich zu einer CEM aber in die andere Richtung (d.h. von Kathode zu Anode). Die transportierten Ionen (z. B. OH^-, HCO₃ ^- und/oder CO₃ ^2-) können im Unterschied zu A-Kationen pH-aktiv sein. Im Fall der AEM kann im Vergleich zur CEM ebenfalls ein Wassertransport in umgekehrter Richtung, nämlich von der Kathode zur Anode, erfolgen, der aber auch in diesem Fall kein Problem darstellt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Dosierungseinrichtung vorgesehen, mittels welcher ein pH-Wert, eine Konzentration an A-Kationen oder eine Kombination hiervon im Katholyten und/oder im Anolyten einstellbar ist. Hierdurch können im Anodenraum und/oder im Kathodenraum die jeweils optimalen Reaktionsbedingungen vorzugsweise unabhängig voneinander eingestellt werden. Beispielsweise kann es beim Transport von pH-aktiven Ionen (z.B. OH^-, HCO₃ ^- und/oder CO₃ ^2-) zu pH-Wertänderungen kommen, die durch geeignetes Ionenmanagement mit Hilfe der Dosierungseinrichtung gesteuert bzw. geregelt werden können. Analog kann eine Verarmung an A-Kationen mit Hilfe der Dosierungseinrichtung durch Zugabe entsprechender Mengen von A-Kationen ausgeglichen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dosierungseinrichtung dazu ausgebildet ist, einen pH-Wert zwischen 10 und 12, das heißt beispielsweise von 10,0, 10,1, 10,2, 10,3, 10,4, 10,5, 10,6, 10,7, 10,8, 10,9, 11,0, 11,1, 11,2, 11,3, 11,4, 11,5, 11,6, 11,7, 11,8, 11,9 oder 12,0, einzustellen und/oder eines oder mehrere aus der Gruppe CO₂, HCO₃ ^-, CO₃ ^2-, OH^- und H⁺ zur Einstellung des pH-Werts zu verwenden. Die Einstellung des pH-Wert kann am einfachsten über die Zufuhr von ohnehin vorhandenem CO₂ erfolgen, zumal auf diese Weise ausschließlich Verbindungen und Ionen zugeführt werden, die bereits im System vorhanden sind und umgesetzt werden sollen. Dadurch werden Zusatzfaktoren im Elektrolysesystem vermieden, die zu unerwünschten Nebenreaktionen führen könnten. Die Steuerung des pH-Werts an den Elektroden kann vorzugsweise unabhängig voneinander erfolgen, ein pH-Wert zwischen 10 und 12, insbesondere zwischen 10,5 und 11,5 ist für die Reaktionsführung in der Regel besonders vorteilhaft.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Kathode und/oder die Anode als Gasdiffusionselektrode und/oder als dotierte, insbesondere bordotierte, Diamantelektrode ausgebildet ist. Beispielsweise kann als Kathode eine Gasdiffusionselektrode (GDE) vorgesehen sein, mit deren Hilfe CO₂ reduziert wird. GDEs sind Elektroden, in denen flüssige, feste und gasförmige Phasen vorliegen und somit der leitende Katalysator die elektrochemische Reaktion zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase katalysiert.
Um das Problem der Bildung eines Gasgemischs aus O₂ und CO₂ an der Anode zu verhindern, eignen sich insbesondere dotierte, vorzugsweise bordotierte Diamantelektroden (BDD) an der Anodenseite. Diese BDD-Elektroden besitzen eine besonders hohe Überspannung für die Sauerstoffentwicklung, wodurch diese inhibiert wird und andere anodische Oxidationsreaktionen elektrochemisch zugänglich gemacht werden. BDDs sind vorteilhafterweise nicht ressourcenlimitiert, wie es beispielsweise bei Iridium und vielen anderen bekannten Katalysatormaterialien der Fall ist. Die Bildung peroxidischer Produkte wie etwa Peroxydicarbonat (C₂O₆ ^2-) läuft an einer BDD bei vergleichsweise hohen pH-Werten (10-12) besonders bevorzugt ab. Dabei werden zwei Carbonationen, wie sie beim Lösungsvorgang des CO₂ in alkalischen Medien entstehen, unter Abgabe von zwei Elektronen zu einem Molekül Peroxydicarbonat gekoppelt. Die Reaktionsgleichung lautet wie folgt: 2 CO₃ ^2- - 2 e^- → C₂O₆ ^2-
Dabei sind Stromdichten von bis zu 700 mA/cm² möglich, während das gebildete Peroxydicarbonat bis zu Konzentrationen von 0,3 mol/L oder höher angereichert werden kann. Bei einem pH-Wert von etwa 11,4 besitzt eine GDE, wie sie an der Kathodenseite zum Einsatz kommt, erfahrungsgemäß Faraday-Effizienzen von über 90% für die CO-Produktion. Die Kathoden-Reaktionen laufen pH-abhängig entweder direkt oder über den Zwischenschritt der Hydrogencarbonatbildung ab: 2 CO₂ + H₂O + 2 e^- → CO + HCO₃- + OH^- und HCO₃ ^- + OH^- → CO₃ ^2- + H₂O
Eine Gasbildung an der Anodenseite kann vollständig vermieden werden, während die (Hydrogen)carbonatbildung an der Kathodenseite vorteilhaft für die Anodenreaktion genutzt werden kann. Darüber hinaus wird kein chemisch im Elektrolyten gebundenes CO₂ freigesetzt.

Alternativ ist vorgesehen, dass die Kathode und/oder die Anode eine Metallelektrode ist, wobei das Metall der Gruppe Cu, Au, Ag, Zn, Pd, Ga, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl, Ni, Fe, Pt, Ti oder einer Mischung oder einer Legierung hieraus ausgewählt ist. Über das Material der Kathode und/oder Anode kann Einfluss auf die entstehenden Produkte bzw. Produktgemische genommen werden. Es hat sich gezeigt, dass zur Elektrolyse von Kohlenstoffdioxid Metalle als Katalysatoren eingesetzt werden können. Je nach Metall können unterschiedliche erste Produkte bzw. Produktgemische mit unterschiedlichen Faraday-Effizienzen hergestellt werden. In der folgenden Tabelle 1 sind exemplarisch Faraday-Effizienzen [%] von Produkten angegeben, die bei der Kohlenstoffdioxid-Reduktion an verschiedenen Metallelektroden entstehen. Die angegebenen Werte gelten für eine 0,1 M Kaliumhydrogencarbonatlösung als Elektrolyten und Stromdichten unterhalb von 10 mA/cm². Tabelle 1: Faraday-Effizienzen bei der Elektrolyse von CO₂ an verschiedenen Elektrodenmaterialien

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

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.
An einer Silberkathode entsteht demgegenüber überwiegend Kohlenmonoxid und wenig Wasserstoff. Die Reaktionen an der Kathode kann dann beispielhaft mit folgender Reaktionsgleichungen dargestellt werden:

Kathode: 2 CO₂ + 4 e^- + 4 H⁺ → 2 CO + 2 H₂O

Von besonderem wirtschaftlichem Interesse ist auch die elektrochemische Erzeugung von Kohlenstoffmonoxid, Ethylen oder Alkoholen:

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^-

Die Reaktionsgleichungen zeigen, dass für die Erzeugung von Ethylen aus CO₂ beispielsweise 12 Elektronen übertragen werden müssen.
Generell kann auch vorgesehen sein, dass eines oder mehrere der in Tabelle 1 genannten Metalle, beispielsweise Silber, als Elektrokatalysator an der Kathodenseite und/oder der Anodenseite eingesetzt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von A₂C₂O₆, wobei A ausgewählt ist aus der Gruppe der Alkaliionen. Das Verfahren umfasst erfindungsgemäß zumindest die Schritte Reduzieren von CO₂ auf einer Kathodenseite eines Elektrolysesystems zu einem ersten Produkt und Oxidieren von A₂CO₃ auf einer Anodenseite des Elektrolysesystems zu einem zweiten Produkt, welches zumindest A₂C₂O₆ umfasst. An der Anodenseite werden dabei freigesetzte Elektronen zur Kathodenseite geleitet und Ionen zum Ladungsausgleich mittels einer ionenleitenden Membran zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite ausgetauscht. Hierdurch kann das Verfahren unter Reduktion von CO₂ und Gewinnung zumindest von (Alkali)Peroxydicarbonat als werthaltiges zweites Produkt produktiv betrieben werden, was eine großtechnische Kohlenstoffdioxidverwertung im Rahmen eines Elektrolyseverfahrens möglich macht. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß die kathodenseitige Reduktion von Kohlenstoffdioxid mit einer produktiven, wertschöpfenden Anodenreaktion gekoppelt, welche die eigentlich unerwünschten Nebenprodukte der Reduktion als Edukte benötigt und so die Bildung von Peroxydicarbonat ermöglicht. Durch die Nutzung von Cabonats als Edukt in der Anodenreaktion wird zudem die unerwünschte Freisetzung von CO₂ an der Anode vermieden. Vorteilhafterweise kann dabei kathodenseitig gebildetes Carbonat als Edukt der Anodenreaktion verwendet werden. Die Gesamtsummengleichung des Verfahrens lautet im Fall einer Reduktion von CO₂ zu CO als erstem Produkt: 2 CO₂ + A₂CO₃ → CO + A₂C₂O₆
(Alkali)Peroxydicarbonat kann als chlorid- und sulfatfreies Desinfektions- und Bleichmittel verwendet werden. Das als Edukt eingesetzte CO₂ kann aus verschiedenen industriellen Quellen, beispielsweise aus Abgasen von Verbrennungsmaschinen stammen, wobei das Verfahren diesbezüglich nicht beschränkt ist. Vorzugsweise wird das Verfahren mittels eines Elektrolysesystems gemäß dem ersten Erfindungsaspekt durchgeführt. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass einem Katholyten kontinuierlich oder chargenweise CO₂ zugeführt wird und/oder dass einem Anolyten kontinuierlich oder chargenweise A₂CO₃ zugeführt wird und/oder dass ein kontinuierlicher oder chargenweiser Konzentrationsausgleich zwischen dem Katholyten und dem Anolyten durchgeführt wird. Ein solches technisch angepasstes Edukt- bzw. Produktmanagement ermöglicht entsprechend eine chargenweise oder kontinuierliche Durchführung des Verfahrens.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem ein pH-Wert des Katholyten der Kathodenseite und/oder des Anolyten der Anodenseite zwischen 10 und 12 eingestellt wird. Hierdurch können die Reaktionsbedingungen optimal an die jeweilige Reaktionsführung und Produktzusammensetzungen angepasst werden. Das Carbonat-Hydrogencarbonat-Gleichgewicht ist ein bekanntes Puffersystem und erleichtert vorteilhaft die Einstellung und Konstanthaltung des jeweils gewünschten pH-Werts.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass gebildetes A₂C₂O₆ bis zu einer Konzentration von mindestens 0,1 mol/L, also beispielsweise bis 0,1 mol/L, 0,2 mol/L, 0,3 mol/L, 0,4 mol/L oder mehr im Anolyten angereichert und/oder kontinuierlich oder chargenweise aus dem Anolyten abgeführt wird. Hierdurch kann der Wertstoff in Abhängigkeit der jeweiligen Verfahrensführung gewonnen und seiner weiteren Verwendung zugeführt werden. Vorzugsweise wird das abgetrennte Peroxydicarbonat in saurer Lösung (pH ≤ 3,3) gelagert, da hierdurch seine Haltbarkeit deutlich gesteigert werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann Natronwasserglas in Mengen bis 4 g/L oder mehr als Stabilisator des Peroxydicarbonats zugesetzt werden, um dessen Lagerfähigkeit weiter zu steigern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Produkt zumindest sauerstofffrei und vorzugsweise frei von gasförmigen Produkten hergestellt wird. Hierdurch kann die unerwünschte Bildung insbesondere von sauerstoffhaltigen Gasgemischen vermieden werden.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass das erste Produkt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe CO, CH₄, C₂H₄, C₂H₅OH, C₃H₇OH, HCOO^-, H₂ oder eine beliebige Mischung hieraus umfasst. Hierdurch können zusätzlich zum werthaltigen zweiten Produkt (Alkali)Peroxydicarbonat ein oder mehrere weitere werthaltige erste Produkte im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung von A₂CO₃ als Edukt zur insbesondere kontinuierlichen elektrochemischen Herstellung von A₂C₂O₆, wobei A ausgewählt ist aus der Gruppe der Alkaliionen und wobei bei einer Oxidation von CO₃ ^2- zu C₂O₆ ^2- freigesetzte Elektronen zur Reduktion von CO₂ verwendet werden. Durch eine solche Kopplung der Reduktion von Kohlenstoffdioxid mit einer produktiven, wertschöpfenden Anodenreaktion, welche die eigentlich unerwünschten Nebenprodukte der Reduktion als Edukte benötigt und so die Bildung von Peroxydicarbonat ermöglicht, kann eine großtechnisch umsetzbare Kohlenstoffdioxidverwertung realisiert werden. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektrolysesystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Elektrolysesystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

In 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektrolysesystems 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Mit Hilfe des Elektrolysesystems 10 kann A₂C₂O₆ im Rahmen einer elektrochemischen Kohlenstoffdioxidverwertung hergestellt werden, wobei A ausgewählt ist aus der Gruppe der Alkaliionen. Das Elektrolysesystem 10 umfasst kathodenseitig mindestens eine erste Elektrolysezelle 12a mit einem Kathodenraum 14, in welchem wenigstens eine Kathode 16 zur Umsetzung von CO₂ zu einem ersten Produkt angeordnet ist. Anodenseitig umfasst das Elektrolysesystem 10 eine zweite Elektrolysezelle 12b mit einem Anodenraum 18, in welchem wenigstens eine galvanisch mit der Kathode 16 gekoppelte Anode 20 zur Umsetzung von A₂CO₃ zu einem zweiten Produkt, welches zumindest A₂C₂O₆ umfasst, angeordnet ist. Zwischen dem Kathodenraum 14 und dem Anodenraum 18 ist eine ionenleitende Membran 22 zum Ionenaustausch zwischen dem Kathodenraum 14 und dem Anodenraum 18 angeordnet. Bei der Membran 22 handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine kationenleitende Membran (CEM), die beispielsweise aus Nafion bestehen kann und den Transport von A⁺-Ionen aus dem Anodenraum 18 in den Kathodenraum 14 ermöglicht. In 1 und 2 werden beispielhaft Kaliumionen (K⁺) als Alkaliion verwendet. Generell können jedoch auch andere Alkaliionen sowie Kombinationen unterschiedlicher Alkaliionen verwendet werden.
Weiterhin umfasst das Elektrolysesystem 10 eine erste Zuführeinrichtung 24a, mittels welcher dem Kathodenraum 14 zumindest CO₂ zuführbar ist und eine zweite Zuführeinrichtung 24b, mittels welcher dem Anodenraum 18 zumindest A₂CO₃ zuführbar ist. Im gezeigten Beispiel liefert die zweite Zuführeinrichtung 24b den Nachschub an A₂CO₃ in ein grundsätzlich optionales Anolytgefäß 26, in welchem das Produkt A₂C₂O₆ angereichert und gemäß Pfeil I chargenweise oder kontinuierlich ausgeschleust wird. Gegebenenfalls können sich ein oder mehrere Kristallisationsgefäße (nicht gezeigt) anschließen, um das Produkt A₂C₂O₆ zu fällen bzw. weiter anzureichern.
Das Elektrolysesystem 10 weist weiterhin eine erste Abführeinrichtung 28a auf, welche mit dem Kathodenraum 14 verbunden bzw. im Kathodenraum 14 angeordnet und dazu ausgebildet ist, das erste Produkt aus dem Kathodenraum 14 abzuführen. Im vorliegenden Beispiel ist das erste Produkt ein Gemisch aus CO und H₂, wobei generell auch überschüssiges CO₂ aus dem Kathodenraum 14 geleitet werden kann. In Abhängigkeit des verwendeten Kathodenmaterials und der Prozessbedingungen können neben CO und H₂ auch andere Produkte wie CH₄, C₂H₄, C₂H₅OH, C₃H₇OH, HCOOH (bzw. HCOO^-) oder Mischungen hieraus hergestellt werden.
Das Elektrolysesystem 10 umfasst auch eine zweite Abführeinrichtung 28b, welche mit dem Anodenraum 18 verbunden bzw. im Anodenraum 18 angeordnet und dazu ausgebildet ist, das zweite Produkt, bei welchem es sich um A₂C₂O₆ handelt, aus dem Anodenraum 18 in das Anolytgefäß 26 abzuführen, wo das Produkt angereichert werden kann.
Auf der Kathodenseite weist das Elektrolysesystem 10 ein grundsätzlich optionales Katholygefäß 30 auf, in welchem A₂CO₃ angereichert wird. Sowohl das Anolytgefäß 26 als auch das Katholygefäß 30 sind über jeweils optionale Pumpen 32a, 32b mit dem Kathodenraum 14 bzw. dem Anodenraum 18 verbunden.
Um Fluid bzw. die Elektrolytlösung zwischen dem Kathodenraum 14 und dem Anodenraum 18 transportieren zu können, umfasst das Elektrolysesystem 10 wenigstens eine Pumpeinrichtung 34, die über eine Steuereinrichtung 36 gesteuert bzw. geregelt betrieben wird. Die Pumpeinrichtung 34 ermöglicht damit einen konzentations- und/oder pH-abhängigen Stoffausgleich zwischen Katholyt und Anolyt, wodurch ein kontinuierlicher Betrieb des Elektrolysesystems 10 ermöglicht ist.
Generell kann das Elektrolysesystem 10 zusätzlich wenigstens eine Dosierungseinrichtung 38 (vgl. 2) aufweisen, mittels welcher ein pH-Wert, eine Konzentration an A-Kationen oder eine Kombination hiervon im Katholyten und/oder im Anolyten einstellbar ist.
Zusammenfassend löst das Elektrolysesystem 10 verschiedene prozesstechnische Herausforderungen. Das Elektrolysesystem 10 erfordert eine kontinuierliche oder batchweise Zuführung von A₂CO₃ auf der Anodenseite, um die Umsetzung zu A₂C₂O₆ zu ermöglichen. Gleichzeitig entstehen an der Anodenseite durch die Oxidationsreaktion A-Kationen, die zwar pH-neutral sind aber dennoch in zu Zwecken des Ladungsausgleichs mit Komponenten des Kathodenraums in Kontakt gebracht werden müssen. Dies erfolgt über die kationenleitende Membran (CEM) 22. Diese ist permeabel für die entstehenden A-Kationen (hier: Kaliumionen), welche dann die kathodenseitig entstehenden Carbonationen ausgleichen können. Hierdurch reichert sich K₂CO₃ im Katholyten an, welches der Anodenseite über die Pumpeinrichtung 34 konzentrationsgesteuert wieder zugeführt wird.
Im Fall einer CEM als ionenleitende Membran 22 wird gemeinsam mit den A-Kationen auch jeweils eine Hydrathülle vom Anodenraum 18 in den Kathodenraum 14 transportiert. Dieser Wassertransport ist grundsätzlich unschädlich, da die im Wesentlichen getrennten Elektrolytkreisläufe zum Salzausgleich miteinander über die Pumpeinrichtung 34 verbunden bzw. verbindbar sind. Die Pumpeinrichtung 34 gewährleistet einen bedarfsweisen Konzentrationsausgleich und ermöglicht in Kombination mit einer Abtrennung der Produkte (insbesondere des Peroxydicarbonats) einen kontinuierlichen Betrieb der Anlage.
Bei einem für die Peroxydicarbonatbildung besonders vorteilhaften pH-Wert von 11,4 liegt das Carbonat-Hydrogencarbonat-Gleichgewicht auf der Seite des vollständig deprotonierten Carbonats. Die Reaktionen an der Kathode 16 und der Anode 20 gestalten sich demnach wie folgt:

Anode: 2 K₂CO₃ - 2 e^- → K₂C₂O₆ + 2 K⁺

Kathode: 2 CO₂ + 2 e^- → CO + CO₃ ^2-

Gesamt: 2 CO₂ + K₂CO₃ → CO + K₂C₂O₆
Bei einem pH-Wert von 11,4 besitzt eine Gasdiffusionselektrode (GDE), die im gezeigten Beispiel als Kathode 16 zum Einsatz kommt, erfahrungsgemäß Faraday-Effizienzen von über 90 % für die CO-Produktion. Die Reaktionen laufen entweder direkt oder über den Zwischenschritt der Hydrogencarbonatbildung ab: 2 CO₂ + H₂O + 2 e^- → CO + HCO₃ ^- + OH^- und HCO₃ ^- + OH^- → CO₃ ^2- + H₂O
Im Gegensatz zur bisherigen anodischen Sauerstoffbildung wird in der gesamten Reaktionsfolge kein chemisch im Elektrolyten gebundenes CO₂ freigesetzt. Überdies ist das anodische Produkt ein Salz, welches im Elektrolyten gelöst vorliegt und somit aus der Zelle herausgeführt werden kann. Eine Gasbildung an der Anodenseite wird somit vollständig vermieden, während die Hydrogencarbonatbildung an der Kathodenseite vorteilhaft für die Anodenreaktion genutzt wird.
2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Elektrolysesystems 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der grundsätzliche Aufbau des Elektrolysesystems 10 ist dabei aus dem ersten Ausführungsbeispiel bekannt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Membran 22 anionenleitend (AEM), so dass der Ladungsausgleich über die Wanderung von OH^- und CO₃ ^2- aus dem Kathodenraum 14 in den Anodenraum 18 erfolgt. Da die transportierten Ionen pH-aktiv sind (OH^- und CO₃ ^2-), muss der pH-Wert im Kathodenraum 14 und im Anodenraum 18 durch geeignetes Ionenmanagement gesteuert werden. Dies erfolgt mit Hilfe einer Dosierungseinrichtung 38, welche zur pH-Steuerung im vorliegenden Beispiel wahlweise dem Anolyten und/oder dem Katholyten CO₂ zuführt, abhängig davon ob OH^- oder CO₃ ^2- der hauptionische Ladungsträger ist. Auf diese Weise werden dem Elektrolysesystem 10 ausschließlich Ionen zugeführt, die bereits im System vorhanden sind und umgesetzt werden können. Dadurch werden Zusatzfaktoren vermieden, die zu unerwünschten Nebenreaktionen führen könnten. Generell können natürlich aber auch andere Verbindungen zur Einstellung des pH-Werts von Katholyt und Anolyt verwendet werden. Auch die Dosierungseinrichtung 38 kann in manchen Ausführungsformen mittels der Steuereinrichtung 36 gesteuert bzw. geregelt werden. Die Steuerung bzw. Regelung des pH-Werts an den Elektroden 16, 20 erfolgt vorzugsweise getrennt bzw. unabhängig voneinander, wobei ein pH-Wert von 10,5-11,5 ist für die Reaktion in der Regel sowohl für den Katholyt als auch für den Anolyt optimal ist. Im Fall des AEM-Anlagenkonzepts erfolgt ebenfalls ein Wassertransport, doch auch dieser verläuft in umgekehrter Richtung im Vergleich zum CEM-Konzept des ersten Ausführungsbeispiel, nämlich von der Kathode 16 zur Anode 20. Auch in diesem Fall ist dies jedoch unproblematisch für die Reaktionsführung.
Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen - beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
Bezugszeichenliste

10: Elektrolysesystem
12a: Elektrolysezelle
12b: Elektrolysezelle
14: Kathodenraum
16: Elektroden
16: Kathode
18: Anodenraum
20: Anode
22: Membran
24a: Zuführeinrichtung
24b: Zuführeinrichtung
26: Anolytgefäß
28a: Abführeinrichtung
28b: Abführeinrichtung
30: Katholygefäß
32a: Pumpen
34: Pumpeinrichtung
36: Steuereinrichtung
38: Dosierungseinrichtung

Claims

Elektrolysesystem (10) zur Herstellung von A₂C₂O₆, wobei A ausgewählt ist aus der Gruppe der Alkaliionen, umfassend: - mindestens eine erste Elektrolysezelle (12a) mit einem Kathodenraum (14), in welchem wenigstens eine Kathode (16) zur Umsetzung von CO₂ zu einem ersten Produkt angeordnet ist; - mindestens eine zweite Elektrolysezelle (12b) mit einem Anodenraum (18), in welchem wenigstens eine galvanisch mit der Kathode (16) gekoppelte Anode (20) zur Umsetzung von A₂CO₃ zu einem zweiten Produkt, welches zumindest A₂C₂O₆ umfasst, angeordnet ist; - mindestens eine ionenleitende Membran (22) zum Ionenaustausch zwischen dem Kathodenraum (14) und dem Anodenraum (18) ; - mindestens eine erste Zuführeinrichtung (24a), mittels welcher dem Kathodenraum (14) zumindest CO₂ zuführbar ist; - mindestens eine zweite Zuführeinrichtung (24b), mittels welcher dem Anodenraum (18) zumindest A₂CO₃ zuführbar ist; - mindestens eine erste Abführeinrichtung (28a), welche mit dem Kathodenraum (14) verbunden und dazu ausgebildet ist, das erste Produkt aus dem Kathodenraum (14) abzuführen; und - mindestens eine zweite Abführeinrichtung (28b), welche mit dem Anodenraum (18) verbunden und dazu ausgebildet ist, das zweite Produkt aus dem Anodenraum (18) abzuführen.
Elektrolysesystem (10) nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine Pumpeinrichtung (34) vorgesehen ist, mittels welcher ein Fluid zwischen dem Kathodenraum (14) und dem Anodenraum (18) transportierbar ist.
Elektrolysesystem nach Anspruch 2, wobei eine Steuereinrichtung (36) vorgesehen ist, mittels welcher die Pumpeinrichtung (34) in Abhängigkeit einer Konzentration von A-Kationen, H⁺-Ionen, CO₂ oder einer Kombination hieraus in einem Katholyten und/oder in einem Anolyten steuerbar und/oder regelbar ist.
Elektrolysesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ionenleitende Membran (22) eine kationenleitende Membran (CEM), insbesondere zum Leiten von A-Kationen aus dem Anodenraum (18) in den Kathodenraum (14), ist.
Elektrolysesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ionenleitende Membran (22) eine anionenleitende Membran (AEM), insbesondere zum Leiten von OH^- und/oder HCO₃ ^- und/oder CO₃ ^2- Ionen aus dem Kathodenraum (14) in den Anodenraum (18), ist.
Elektrolysesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei wenigstens eine Dosierungseinrichtung (38) vorgesehen ist, mittels welcher ein pH-Wert, eine Konzentration an A-Kationen oder eine Kombination hiervon im Katholyten und/oder im Anolyten einstellbar ist.
Elektrolysesystem (10) nach Anspruch 6, wobei die Dosierungseinrichtung (38) dazu ausgebildet ist, einen pH-Wert zwischen 10 und 12 einzustellen und/oder eines oder mehrere aus der Gruppe CO₂, HCO₃ ^-, CO₃ ^2-, OH^- und H⁺ zur Einstellung des pH-Werts zu verwenden.
Elektrolysesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kathode (16) und/oder die Anode (20) als Gasdiffusionselektrode und/oder als dotierte, insbesondere bordotierte, Diamantelektrode ausgebildet ist oder dass die Kathode (16) und/oder die Anode (20) eine Metallelektrode ist, wobei das Metall der Gruppe Cu, Au, Ag, Zn, Pd, Ga, Pb, Hg, In, Sn, Cd, Tl, Ni, Fe, Pt, Ti oder einer Mischung oder Legierung hieraus ausgewählt ist.
Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von A₂C₂O₆, wobei A ausgewählt ist aus der Gruppe der Alkaliionen, umfassend zumindest die Schritte - Reduzieren von CO₂ auf einer Kathodenseite eines Elektrolysesystems (10) zu einem ersten Produkt; und - Oxidieren von A₂CO₃ auf einer Anodenseite des Elektrolysesystems (10) zu einem zweiten Produkt, welches zumindest A₂C₂O₆ umfasst, wobei an der Anodenseite freigesetzte Elektronen zur Kathodenseite geleitet und Ionen zum Ladungsausgleich mittels einer ionenleitenden Membran (22) zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite ausgetauscht werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei einem Katholyten kontinuierlich oder chargenweise CO₂ zugeführt wird und/oder wobei einem Anolyten kontinuierlich oder chargenweise A₂CO₃ zugeführt wird und/oder wobei ein kontinuierlicher oder chargenweiser Konzentrationsausgleich zwischen dem Katholyten und dem Anolyten durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei ein pH-Wert des Katholyten und/oder des Anolyten zwischen 10 und 12 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei gebildetes A₂C₂O₆ bis zu einer Konzentration von mindestens 0,1 mol/L im Anolyten angereichert und/oder kontinuierlich oder chargenweise aus dem Anolyten abgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das zweite Produkt zumindest sauerstofffrei und vorzugsweise frei von gasförmigen Produkten hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das erste Produkt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe CO, CH₄, C₂H₄, C₂H₅OH, C₃H₇OH, HCOO^-, H₂ oder eine beliebige Mischung hieraus umfasst.
Verwendung von A₂CO₃ als Edukt zur insbesondere kontinuierlichen elektrochemischen Herstellung von A₂C₂O₆, wobei A ausgewählt ist aus der Gruppe der Alkaliionen und wobei bei einer Oxidation von CO₃ ^2- zu C₂O₆ ^2- freigesetzte Elektronen zur Reduktion von CO₂ verwendet werden.