[发明专利]一种电化学还原CO2合成小分子醇类化合物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及有机化学合成技术领域，具体地说是一种多电位阶跃法电化学还原CO₂合成小分子醇类化合物的方法。

背景技术

近几个世纪以来，含碳资源的大量使用导致大气中CO₂浓度不断升高，影响了世界的气候环境。通过电化学方法将CO₂还原，不仅可以实现碳的循环，也为人类解决环境气候危机提供了一种方法。乙醇是一种常用化学原料，并可以作为替代能源，是具有较高经济效益的CO₂还原产物。铜一直被认为是对CO₂具有较高催化活性的金属电极。早在1990年，Y.Hori 在Shokubai，32（2），75-76 中就报道过以铜为电极在水溶液中还原CO₂可以得到C₂H₄、CH₄、CH₃CH₂OH、n-PrOH。2004年，K.Ogura在Journal of Electroanalytical Chemistry，565（2），287-293中报道过：以3M的卤化钾溶液为电解液，将铜电极进行阳极氧化，得到卤化亚铜修饰电极，再利用修饰铜电极为工作电极，以恒电位电解方式还原CO₂，在CuCl修饰铜电极上得到乙醇的电流效率为1.9%，未见其它醇类。

目前，以铜为工作电极进行恒电位或恒电流电解还原CO₂主要存在两个缺点：其一，所得乙醇的电流效率很低；其二，随着电解时间的延长，电解过程所产生的碳容易吸附在电极表面，使电极失去催化活性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种电化学还原CO₂合成小分子醇类化合物的方法，采用铜片为工作电极、饱和甘汞为参比电极和铂网为对电极的H型两室型电解池，在常压下将CO₂多电位阶跃式电解还原成小分子醇类化合物，反应体系简单、易控，CO₂作为主要原料，廉价易得，成本低，不污染环境，是一种很有工业合成价值的工艺路线。

实现本发明目的的技术方案是：一种电化学还原CO₂合成小分子醇类化合物的方法，其特点是该方法采用多电位阶跃法，常压下将CO₂电解还原为小分子醇类化合物，具体步骤如下：

a、电解液的制备

将15ml当量浓度为0.5M的KCl、KBr、KI或KHCO₃支持盐溶液加入H型两室电解池的阴极室和阳极室，所述电解池由阳离子交换膜分隔为阴极室和阳极室，阴极室内设置金属铜片的工作电极和饱和甘汞的参比电极，阳极室内设置铂网的对电极；

b、电解反应

常压下，向上述电解池通入CO₂至饱和，然后采用多电位阶跃式电解，其通电量为40~120C，电解温度为0～5℃；所述多电位阶跃式电解为二个阶跃电位的设置，其第一步电位设置为0.2~-0.2V，时间为2~6s，第二步电位设置为-1.4~-2.2V，时间为4~8s； 

c、阴极液的蒸馏

将电解后的阴极室溶液移至烧瓶，加入NaCl充分溶解后蒸馏，分别收集乙醇和正丙醇馏分，馏分经浓缩后得产物为乙醇和正丙醇，所述NaCl与KCl、KBr、KI或KHCO₃支持盐溶液的质量比分别为12.5:1，7.8:1, 6.3:1，9.3:1。 

本发明与现有技术相比具有工艺简单，操作方便，将CO₂还原成乙醇等小分子醇类的重要化工原料，对温室效应的气体二氧化碳进行有效的利用，大大减少了大气污染，是一种很有工业合成价值的工艺路线，对含碳资源日益枯竭及气候环境危机的缓解有重要的意义。

具体实施方式

通过以下具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

a、电解液的制备 

将15ml 浓度为0.5M的KCl水溶液加入H型两室电解池的阴极室和阳极室，电解池由阳离子交换膜分隔为阴极室和阳极室，阴极室内设置金属铜片的工作电极和饱和甘汞的参比电极，阳极室内设置铂网的对电极。

b、电解反应

常压下，向上述溶液中通入CO₂至饱和，然后采用多电位阶跃式电解，通电量为80C，电解温度为0℃；所述多电位阶跃式电解为二个阶跃电位的设置，其第一步电位设置为0V，时间为4s，第二步电位设置为-2.0V，时间为6s。