[发明专利]使用电解系统电解还原二氧化碳时提高二氧化碳转化率的方法

说明书

本发明提供一种使用电解系统电解还原二氧化碳时提高二氧化碳转化率的方法。电解系统包括直流电源、电解池以及用于加热电解池的加热单元，电解池是阴极支撑的对称型固体氧化物电解池。该方法选用以γ‑Al₂O₃为载体，Cu原子与Fe原子吸附在载体表面的CuFe/Al₂O₃作为催化剂，将催化剂加入阴极支撑层的孔道，阳极层与空气相接触，二氧化碳和水的混合气体通入该孔道，开启直流电源发生电解还原反应，获得CO与H₂，在该催化剂存在条件下能够保证电性能正常，同时大大提高CO₂的转化率。

技术领域

本发明属于电化学技术及高温固态氧化物电解技术领域，具体涉及一种使用电解系统电解还原二氧化碳时提高二氧化碳转化率的方法。

背景技术

人类文明自工业革命以来，大量消耗化石燃料等不可再生能源，消耗过程中未能及时处理产生的废气，使CO₂不断排入大气层，导致愈来愈明显的温室效应。怎样有效控制CO₂这类温室气体的排放，减缓温室效应造成的环境问题已成为人类文明面临的重大难题之一。

通过电化学技术将CO₂转化为合成气或者其他含碳燃料，对减少CO₂的排放和提高可再生资源的转化利用具有十分重要的意义。目前，为实现CO₂的转化，使用较多的是基于质子交换膜电解质的中低温电解池，采用较为昂贵的铂金属作为催化剂，成本较高，而且对产物的分离调控非常困难。为了降低成本，有学者提出基于熔融盐电解池的CO₂转化法，但熔融盐电解池在直接电解CO₂时，燃料极经常会发生积碳的问题，从而导致电解池性能的明显下降，另一方面，由于熔融盐电解池采用的是熔融态电解质，对密封的要求更加苛刻，而且还产生了电解液泄露的隐患。

为此，有研究提出采用基于陶瓷电解质的固体氧化物电解池在中高温条件实现CO₂的转化利用。固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC)是固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的逆反应过程，是一种高效、低污染的能量转换装置，运行温度在600-800℃，将CO₂、水蒸气转化为CO、H₂等燃料气。由于固体氧化物电解池的运行温度较高，对电能的需求较低。但是，使用固体氧化物电解池电解还原二氧化碳存在CO₂反应位点有限的问题，仍然有待高效实现CO₂向CO燃料气的转化。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在采用包括固体氧化物电解池的电解系统电解还原二氧化碳时提高二氧化碳的转换率，实现CO₂向CO燃料气的高效转化。

为了实现上述技术目的，本发明人在电解模式运行过程中发现在电解池的燃料极支撑体孔道中加入CuFe/Al₂O₃作为催化剂条件下通入水蒸气与CO₂，能够在保证电性能正常的同时提高CO₂的电解还原转化率。

即，本发明的技术方案为：使用电解系统电解还原二氧化碳时提高二氧化碳转化率的方法，所述的电解系统包括直流电源、电解池，以及用于加热电解池的加热单元；

所述电解池是固体氧化物电解池；所述电解池以阴极为支撑层，呈上下分布结构，即，所述电解池中，阳极层、电解质层以及活性阴极层沿厚度方向上下层叠；活性阴极层包括第一活性阴极层与第二活性阴极层，第一活性阴极层位于阴极支撑层的上表面，第二活性阴极层位于阴极支撑层的下表面；电解质层包括第一电解质层与第二电解质层，第一电解质层位于第一活性阴极层的上表面，第二电解质层位于第二活性阴极层的下表面；阳极层包括第一阳极层与第二阳极层，第一阳极层位于第一电解质层的上表面，第二阳极层位于第二电解质层的下表面；并且，阴极支撑层设置用于燃料气体流通的孔道；