[发明专利]一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置及方法

说明书

本发明公开了一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置及方法。催化剂合成后再采用低温等离子体技术来改性，提升Cu基催化剂催化二氧化碳电还原效率。相比二氧化碳气体通入膜电极组件MEA进行直接电催化还原合成多碳产物，本发明将二氧化碳气体通过自制的电晕低温等离子体反应器，实现对惰性二氧化碳气体激发活化，经电晕反应后的等离子体通入到膜电极组件MEA的阴极反应室的催化剂层中，促进二氧化碳电还原为多碳产物。本发明有效解决惰性二氧化碳在传统电解池难活化、难转化的问题，实现新型等离子体技术和电催化CO₂还原工艺的交叉耦合，为电还原二氧化碳气体向液体燃料方向转化，解决目前二氧化碳排放和能源短缺问题提供新工艺。

技术领域

本发明是属于低温等离子体技术和电催化二氧化碳的技术领域，尤其涉及一种低温等离子体串联电解池还原二氧化碳制备多碳产物的装置及方法，通过等离子体技术和电催化技术相结合，高效促进二氧化碳气体向多碳产物的转化。

背景技术

目前涉及到CO₂转化的方式主要有光催化、热催化和电催化等，如果能够将CO₂转化为我们可以使用的多碳化合物，不仅能够解决CO₂所带来的环境污染问题，同时还能解决当前世界所面临的能源短缺问题。

电催化CO₂转化对反应条件要求较低，反应速率较快，反应过程便于调节等众多优点，所以备受瞩目。目前基于Cu基催化剂催化CO₂向多碳产物转化的研究技术较为成熟，通过调整不同Cu元素的价态、Cu基催化剂的表面结构和组成、引入其它的金属元素等手段，促进或改变CO₂电催化还原为多碳产物。但由于CO₂作为惰性气体，其C＝O双键具有较高的稳定性，在电催化过程需要较高的能量断裂其C＝O双键(803kJ/mol)，使其处于活化状态，并且传统电催化过程在液体电解质中进行，强烈的析氢反应也会对CO₂转化进行抑制，导致能源利用效率较低，所以电催化CO₂转化为多碳产物依然面临着对于多碳产物难合成、产率较低等问题。

低温等离子体技术，主要是通过高压放电技术，在常温常压的环境下就能对惰性气体分子进行活化。通过高压电源提供电能用于激发惰性CO₂气体分子，通过生成的高能电子进行高频碰撞，形成一系列的离子、自由基、激发态分子等活化成分。因此采用低温等离子体技术活化CO₂气体分子，将CO₂分子激发为活化状态后，再通过电催化的技术手段，将更有利于生成多碳化合物。此外低温等离子体技术具有设备简单、易于操作等优点。

将CO₂转化为多碳有机物是目前研究的热点之一，面对化石能源的不断消耗，寻找新的可替代能源已经迫在眉睫，多碳化合物在使用过程中又会重新生成CO₂气体，对CO₂气体进行循环利用的技术，是非常具有研究前景的。因此采用低温等离子体技术与电催化CO₂还原技术进行结合，生成绿色能源，再通过可再生能源作为低温等离子体技术和电催化过程的能源供给，可以形成真正的绿色、无污染、零排放的可再生能源循环利用系统。

因此本发明通过耦合低温等离子体技术与CO₂电催化技术，有望改变目前CO₂转化难，产物选择性低的困难，从而合成具有更好应用前景的多碳产物。

发明内容

本发明是基于目前CO₂电催化的效率低，多碳目标产物的选择性较低的问题，所提出的一种促进CO₂向多碳目标产物转化的装置及方法。通过低温等离子体技术激发CO₂分子的活化状态，从而促进CO₂射流等离子气体在膜电极组件MEA中进行高效的转化。该方法具有工艺流程简单、工作要求条件较低、产物实用价值高、环境友好、反应操作灵活等优点。