Электрохимическое восстановление диоксида углерода - Electrochemical reduction of carbon dioxide

Эта статья об электрохимической системе. Для связанных систем см. Фотоэлектрохимическое восстановление диоксида углерода и Фотохимическое восстановление диоксида углерода .

Электрохимическое восстановление диоксида углерода является превращение диоксида углерода ( СО
2) к более восстановленным химическим веществам, использующим электрическую энергию. Это один из возможных шагов в широкой схеме улавливания и использования углерода , тем не менее, он считается одним из самых многообещающих подходов.

Электрохимическое восстановление диоксида углерода представляет собой возможное средство производства химикатов или топлива, превращающих диоксид углерода ( CO
2) в органическое сырье, такое как муравьиная кислота (HCOOH) , монооксид углерода (CO) , метан (CH 4 ) , этилен (C 2 H 4 ) и этанол (C 2 H 5 OH) . К наиболее селективным металлическим катализаторам в этой области относятся олово для муравьиной кислоты, серебро для монооксида углерода и медь для метана, этилена или этанола. Метанол, пропанол и 1-бутанол также производятся электрохимическим восстановлением CO 2 , хотя и в небольших количествах.

Первые примеры электрохимического восстановления диоксида углерода относятся к XIX веку, когда диоксид углерода был восстановлен до монооксида углерода с использованием цинкового катода . Исследования в этой области активизировались в 1980-х годах после нефтяного эмбарго 1970-х годов. По состоянию на 2021 год опытно-промышленное электрохимическое восстановление диоксида углерода разрабатывается несколькими компаниями, включая Siemens , Dioxide Materials и Twelve .

Химические вещества из углекислого газа

При связывании углерода растения превращают углекислый газ в сахара, из которых берут начало многие биосинтетические пути. Катализатор, ответственный за это превращение, RuBisCO , является наиболее распространенным белком на Земле. Некоторые анаэробные организмы используют ферменты для преобразования CO 2 в оксид углерода , из которого могут быть получены жирные кислоты.

В промышленности некоторые продукты производятся из CO 2 , включая мочевину , салициловую кислоту , метанол и некоторые неорганические и органические карбонаты. В лаборатории диоксид углерода иногда используется для получения карбоновых кислот в процессе, известном как карбоксилирование . Электрохимический электролизер CO 2 , работающий при комнатной температуре, не поступал в продажу. Ячейки с твердооксидным электролизером (SOEC) при повышенной температуре для восстановления CO 2 до CO коммерчески доступны. Например, Haldor Topsoe предлагает SOEC для сокращения выбросов CO 2 с заявленными показателями 6-8 кВтч на Нм 3 произведенного CO и чистотой до 99,999% CO.

Гидросиланы восстанавливают диоксид углерода (до метана ): к сожалению, такие реакции являются стехиометрическими и представляют исключительно академический интерес.

Снижение углекислого газа

Электрокатализ

Электрохимическое восстановление диоксида углерода до различных продуктов обычно описывается как:

Реакция Потенциал снижения

E o (V)

CO 2 + 2 H + + 2 e - → HCOOH −0,61
CO 2 + 2 H + + 2 e - → CO + H 2 O −0,53
CO 2 + 8 H + + 8 e - → CH 4 + 2 H 2 O -0,24
2 CO 2 + 12 H + + 12 e - → C 2 H 4 + 4 H 2 O -0,349
2 CO 2 + 12 H + + 12 e - → C 2 H 5 OH + 3 H 2 O -0,329

Окислительно-восстановительные потенциалы для этих реакций аналогичны окислительно-восстановительным потенциалам для выделения водорода в водных электролитах, таким образом, электрохимическое восстановление CO 2 обычно конкурирует с реакцией выделения водорода.

Значительное внимание уделяется электрохимическим методам: 1) при атмосферном давлении и комнатной температуре; 2) в связи с возобновляемыми источниками энергии (см. Также солнечное топливо ) 3) конкурентоспособная управляемость, модульность и масштабирование относительно просты. Электрохимическое восстановление или электрокаталитическое преобразование CO 2 может производить химические вещества с добавленной стоимостью, такие как метан, этилен, этанол и т. Д., И продукты в основном зависят от выбранных катализаторов и рабочих потенциалов (применение восстанавливающего напряжения).

Были оценены различные гомогенные и гетерогенные катализаторы . Предполагается, что многие такие процессы протекают через посредство комплексов углекислого газа . Многие процессы страдают от высокого перенапряжения, низкого выхода по току, низкой селективности, медленной кинетики и / или плохой стабильности катализатора.

Состав электролита может иметь решающее значение. Полезны газодиффузионные электроды.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

дальнейшее чтение