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DE102022004678A1 - Process for the electrolysis of carbon dioxide with prereduction of a silver oxide-containing gas diffusion electrode - Google Patents

Process for the electrolysis of carbon dioxide with prereduction of a silver oxide-containing gas diffusion electrode Download PDF

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DE102022004678A1
DE102022004678A1 DE102022004678.4A DE102022004678A DE102022004678A1 DE 102022004678 A1 DE102022004678 A1 DE 102022004678A1 DE 102022004678 A DE102022004678 A DE 102022004678A DE 102022004678 A1 DE102022004678 A1 DE 102022004678A1
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DE
Germany
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diffusion electrode
gas diffusion
reduction
gas
chamber
Prior art date
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Application number
DE102022004678.4A
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German (de)
Inventor
Alexander LUEKEN
Jens Osiewacz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Covestro Deutschland AG
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Publication date
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Abstract

Die Verwendung einer vorreduzierten Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silber, zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid führt zu einer selektiveren Bildung von Kohlenmonoxid mit verbesserter Stromausbeute, wenn die vorreduzierte Gasdiffusionselektrode durch zumindest folgende Verfahrensschritte erhalten wird:Einbringen der einer Silberoxid-haltigen Gasdiffusionselektrode in einen Reduktionsraum einer elektrochemischen Vorrichtung,Bereitstellung einer Reduktionsumgebung, in dem zur eingebrachten Gasdiffusionselektrode mindestens eine Zusammensetzung in den Reduktionsraum eingebracht, zur Gasdiffusionselektrode geführt und damit kontaktiert wird, wodurch die Gasdiffusionselektrode von dieser Zusammensetzung zumindest teilweise eingehüllt wird, unter der Maßgabe, dass diese eingebrachte Zusammensetzung bezogen auf ihr Gesamtgewicht eine Menge von 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2oder deren Gemisch enthält;Reduktion von Silberoxid der eingebrachten Gasdiffusionselektrode zu Silber unter Aufrechterhaltung der Reduktionsumgebung und unter Erhalt einer vorreduzierten Gasdiffusionselektrode.The use of a pre-reduced gas diffusion electrode containing silver for the electrochemical reduction of carbon dioxide leads to a more selective formation of carbon monoxide with improved current efficiency if the pre-reduced gas diffusion electrode is obtained by at least the following process steps:Introducing a silver oxide-containing gas diffusion electrode into a reduction chamber of an electrochemical device,Providing a reduction environment in which at least one composition is introduced into the reduction chamber for the introduced gas diffusion electrode, guided to the gas diffusion electrode and contacted therewith, whereby the gas diffusion electrode is at least partially enveloped by this composition, with the proviso that this introduced composition contains, based on its total weight, an amount of 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO2, O2 or a mixture thereof;Reducing silver oxide of the introduced gas diffusion electrode to silver while maintaining the reduction environment and obtaining a pre-reduced gas diffusion electrode.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid an einer vorreduzierten Gasdiffusionselektrode, sowie die Verwendung einer entsprechend vorreduzierten Gasdiffusionselektrode für die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid.The invention relates to a method for the electrochemical reduction of carbon dioxide at a pre-reduced gas diffusion electrode, as well as the use of a correspondingly pre-reduced gas diffusion electrode for the electrochemical reduction of carbon dioxide.

Silber-basierte Gasdiffusionselektroden (GDE) können zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid verwendet werden. Unter Standardkonditionen beträgt dabei das Zellpotenzial 1,33 V. Die Kathodenreaktion in alkalischem Medium gegenüber der Standard-Wasserstoffelektrode (SHE) lautet: CO2 + H2O + 2e- → CO + 2 OH- E vs. SHE (pH 7) = -0,52 VSilver-based gas diffusion electrodes (GDE) can be used for the electrochemical reduction of carbon dioxide to carbon monoxide. Under standard conditions, the cell potential is 1.33 V. The cathode reaction in alkaline medium compared to the standard hydrogen electrode (SHE) is: CO 2 + H 2 O + 2e - → CO + 2 OH - E vs. SHE (pH 7) = -0.52 V

Die Konkurrenzreaktion lautet: 2 H2O + 2e- → 2 OH- + H2 E vs. SHE (pH 7) = -0,42 VThe competitive reaction is: 2 H 2 O + 2e - → 2 OH - + H 2 E vs. SHE (pH 7) = -0.42 V

Anodenseitig ist eine gängige Reaktion die Sauerstoffbildung: 2 OH- → ½ O2 + H2O + 2e- On the anode side, a common reaction is the formation of oxygen: 2 OH - → ½ O 2 + H 2 O + 2e -

Allerdings sind anodenseitig auch andere Reaktionen möglich und in der Literatur beschrieben, z.B. die Erzeugung von Chlor: 2 Cl- → ½ Cl2 + H2O + 2e- However, other reactions are also possible on the anode side and are described in the literature, e.g. the production of chlorine: 2Cl - → ½Cl 2 + H 2 O + 2e -

Wenn Anoden- und Kathodenreaktion gemeinsam beschrieben werden, lauten die beispielhaften Reaktionsgleichungen wie folgt: CO2 → CO + ½ O2 E vs. SHE (pH 7) = 0,82 V CO2 → CO + ½ Cl2 If the anode and cathode reactions are described together, the example reaction equations are as follows: CO 2 → CO + ½ O 2 E vs. SHE (pH 7) = 0.82 V CO 2 → CO + ½ Cl 2

Die Zellspannung eines elektrochemischen Prozesses setzt sich aus verschiedenen Faktoren zusammen: E = E tn + η akt + η ohm + η mt

Figure DE102022004678A1_0001
The cell voltage of an electrochemical process is composed of various factors: E = E tn + η act + η ohm + η mt
Figure DE102022004678A1_0001

Dabei handelt es sich bei

Etn
thermoneutrale Spannung (Spannung bei Standardbedingungen)
ηakt
kinetische Aktivierung
ηohm
Ohm'sche Verluste
ηmt
limitierender Massentransport
This includes
Etn
thermoneutral voltage (voltage at standard conditions)
ηact
kinetic activation
ηohm
Ohmic losses
ηmt
limiting mass transport

In der Forschung zur Kohlendioxid-Elektrolyse wurde die überwiegende Anzahl der Studien in H-cell Elektrolyseuren durchgeführt. Bei diesem Zelltyp sind die Elektroden in den Elektrolyten eingetaucht während das für die Reaktion benötigte Kohlendioxid im Elektrolyten gelöst vorliegt. Durch die begrenzte Löslichkeit des Kohlendioxid ist die Umsetzung an der Elektrode durch den Massentransport limitiert und läuft bei geringen Stromdichten um die 60 mA/cm2 ab.In research into carbon dioxide electrolysis, the majority of studies were carried out in H-cell electrolyzers. In this type of cell, the electrodes are immersed in the electrolyte while the carbon dioxide required for the reaction is dissolved in the electrolyte. Due to the limited solubility of the carbon dioxide, the conversion at the electrode is limited by mass transport and takes place at low current densities of around 60 mA/cm 2 .

Gasdiffusionselektroden hingegen rücken in den letzten Jahren mehr und mehr in den Fokus der Entwicklung und können mit gasförmigen Kohlendioxid arbeiten. Dabei können Stromdichten um 300 mA/cm2 erzielt werden. Die Reaktion findet laut gängiger Lehre an der Dreiphasengrenze statt, bei der Kohlendioxid als Eduktgas, flüssiger Elektrolyt und Katalysator in Kontakt kommen. Das Kohlendioxid diffundiert dazu aus dem Gasraum durch die poröse Struktur der Gasdiffusionselektrode.Gas diffusion electrodes, on the other hand, have become more and more of a focus of development in recent years and can work with gaseous carbon dioxide. Current densities of around 300 mA/cm 2 According to current theory, the reaction takes place at the three-phase boundary, where carbon dioxide as reactant gas, liquid electrolyte and catalyst come into contact. The carbon dioxide diffuses from the gas space through the porous structure of the gas diffusion electrode.

Entsprechend geeignete Gasdiffusionselektroden sind solche auf Basis von Silber und/oder Silberoxid, bevorzugt Silberpartikeln, als Elektrokatalysator und mit einem pulverförmigen Fluor-haltigen Polymer, insbesondere PTFE Pulver, als nichtleitendem Bindemittel auf einem metallischen oder nichtmetallischen, einem leitfähigen oder einem nichtleitfähigen Träger kompaktiert ausgebildet, wie sie von der Firma Covestro Deutschland AG beispielsweise in WO 2021/069470 A1 oder WO 2020/239716 A1 oder EP 1 728 896 A2 beschrieben wurden.Suitable gas diffusion electrodes are those based on silver and/or silver oxide, preferably silver particles, as electrocatalyst and with a powdered fluorine-containing polymer, in particular PTFE powder, as non-conductive binder compacted on a metallic or non-metallic, conductive or non-conductive carrier, as they are manufactured by the company Covestro Deutschland AG, for example in WO 2021/069470 A1 or WO 2020/239716 A1 or EP 1 728 896 A2 were described.

Gesteigerte Stromausbeuten für die Reduktion von CO2 zu Kohlenmonoxid sind insbesondere für eine effiziente Anwendung der CO2-Elektrolyse im industriellen Maßstab wünschenswert. Ziel der Entwicklungen ist es weiter, die Selektivität der kathodischen Reduktion von CO2 zu CO zu verbessern und insbesondere die Bildung von Wasserstoff an der Gasdiffusionselektrode zu minimieren.Increased current yields for the reduction of CO 2 to carbon monoxide are particularly desirable for efficient application of CO 2 electrolysis on an industrial scale. The aim of the developments is also to improve the selectivity of the cathodic reduction of CO 2 to CO and in particular to minimize the formation of hydrogen at the gas diffusion electrode.

Es wurde nunmehr gefunden, dass sich die Stromausbeute und die Selektivität bei der CO2-Reduktion an einer Gasdiffusionselektrode signifikant verbessern lässt, wenn die Metalloxidhaltige Gasdiffusionselektrode zur Reduktion des zu reduzierenden CO2 vor dem Anlegen der Elektrolysespannung in einem vorgeschalteten Schritt vorreduziert wird, wobei die Gasdiffusionselektrode bei der Vorreduktion in Kontakt mit einer Inertgasatmosphäre steht. Ein Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid in mindestens einer Elektrolysezelle mit mindestens einem Anodenraum , der mindestens eine mit Anolyt in Kontakt stehende Anode enthält, und mit mindestens einem Kathodenraum, der mindestens eine Silber enthaltende Gasdiffusionselektrode als Kathode enthält, wobei besagte Gasdiffusionselektrode den Kathodenraum in einen Gasraum und einem Katholytraum unterteilt und der Gasraum mindestens einen Einlass für einen Gasstrom und mindestens einen Auslass für einen Produktgasstrom aufweist, und wobei das Verfahren unter Ausführung mindestens folgender Schritte in nachfolgender Rangfolge durchgeführt wird

  • Einbringen der Gasdiffusionselektrode in einen Reduktionsraum einer elektrochemischen Vorrichtung, bevorzugt in den Kathodenraum der Elektrolysezelle ;
  • Bereitstellung einer Reduktionsumgebung, in dem zur eingebrachten Gasdiffusionselektrode mindestens eine Zusammensetzung in den Reduktionsraum eingebracht, zur Gasdiffusionselektrode geführt und damit kontaktiert wird, wodurch die Gasdiffusionselektrode von dieser Zusammensetzung zumindest teilweise eingehüllt wird, unter der Maßgabe, dass diese eingebrachte Zusammensetzung bezogen auf ihr Gesamtgewicht eine Menge von 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält;
  • Reduktion von Silberoxid der eingebrachten Gasdiffusionselektrode zu Silber unter Aufrechterhaltung der Reduktionsumgebung und unter Erhalt einer vorreduzierten Gasdiffusionselektrode;
  • Anwendung besagter vorreduzierter Gasdiffusionselektrode als Silber enthaltende Gasdiffusionselektrode als Kathode in besagter Elektrolysezelle zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid durch Anlegen eines Elektrolysestromes, wobei dem Gasraum ein Kohlendioxid-haltiges Gas in Form eines Gasstroms zugeführt wird und die Zusammensetzung des zugeführten Gases bezogen auf dessen Volumen mehr als 80 Vol.-% CO2 enthält.
It has now been found that the current efficiency and the selectivity in the CO 2 reduction at a gas diffusion electrode can be significantly improved if the metal oxide-containing gas diffusion electrode is pre-reduced in an upstream step to reduce the CO 2 to be reduced before the electrolysis voltage is applied, wherein the gas diffusion electrode is in contact with an inert gas atmosphere during the pre-reduction. The invention therefore relates to a method for the electrochemical reduction of carbon dioxide in at least one electrolysis cell with at least one anode chamber containing at least one anode in contact with anolyte and with at least one cathode chamber containing at least one silver-containing gas diffusion electrode as a cathode, wherein said gas diffusion electrode divides the cathode chamber into a gas chamber and a catholyte chamber and the gas chamber has at least one inlet for a gas stream and at least one outlet for a product gas stream, and wherein the method is carried out by carrying out at least the following steps in the following order of priority
  • introducing the gas diffusion electrode into a reduction chamber of an electrochemical device, preferably into the cathode chamber of the electrolysis cell;
  • Providing a reduction environment in which at least one composition is introduced into the reduction space for the introduced gas diffusion electrode, guided to the gas diffusion electrode and contacted therewith, whereby the gas diffusion electrode is at least partially enveloped by this composition, with the proviso that this introduced composition contains, based on its total weight, an amount of 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof;
  • Reduction of silver oxide of the introduced gas diffusion electrode to silver while maintaining the reduction environment and obtaining a pre-reduced gas diffusion electrode;
  • Application of said pre-reduced gas diffusion electrode as a silver-containing gas diffusion electrode as a cathode in said electrolysis cell for the electrochemical reduction of carbon dioxide by applying an electrolysis current, wherein a carbon dioxide-containing gas is supplied to the gas space in the form of a gas stream and the composition of the supplied gas contains more than 80 vol.% CO 2 based on its volume.

Die Durchführung einer Vorreduktion von Silberoxid-haltigen Gasdiffusionselektroden wurde bisher im Vorfeld einer Chloralkalielektrolyse in der Druckschrift EP 2824218 A1 beschrieben. Die Durchführung einer Vorreduktion sowie die nachfolgend beschriebenen, speziellen Ausführungsbedingungen einer Vorreduktion im Zusammenhang mit der Anwendung von Gasdiffusionselektroden in einem Verfahren zur elektrochemischen CO2 Reduktion ist bisher nicht bekannt.The implementation of a pre-reduction of silver oxide-containing gas diffusion electrodes has so far been described in advance of a chlor-alkali electrolysis in the publication EP 2824218 A1 The implementation of a pre-reduction as well as the special execution conditions of a pre-reduction described below in connection with the application of gas diffusion electrodes in a process for electrochemical CO 2 reduction are not yet known.

Die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid findet erfindungsgemäß in einer Elektrolysezelle statt. Ein Beispiel für eine solche Elektrolysezelle ist in 1 abgebildet. Gemäß 1 haben die darin genannten Bezugszeichen die folgende Bedeutung:

Z
Elektrolysezelle
1
Kathodenhalbschale
2
Anodenhalbschale
3
Separator (Diaphragma, Ionenaustauschermembran)
4
Gasraum (Kathode)
5
erste Gaszuleitung für Kohlendioxid (Kathodenraum)
6
erste Gasableitung für gasförmige Reaktionsprodukte (Kathodenraum)
7
zweite Gasableitung für Anodenreaktionsprodukt
8
Anolytzulauf
9
Anolytablauf
10
Anode
11
Kathode (Silber enthaltende Gasdiffusionselektrode)
12
Katholytraum (Elektrolytraum)
12a
Katholytspalt (Elektrolytraum)
13
Katholytzulauf
14
Katholytablauf
15
Anodenraum
15a
Anolyt
16
Kathodenraum
17
Katholyt
31
Stromleitung Kathode
32
Stromleitung Anode
34
Verteilerkanal
35
elektrisch leitende Auflagestruktur
36
Elastische elektrisch leitende Verbindung zwischen Kathode 11 und Auflagestruktur 35
55
Kohlendioxidgasquelle
90
elektrisch leitende Verbindung Anode mit Anodenhalbschale
91
elektrisch leitende Verbindung von GDE 11, elastischer Struktur 36, elektrisch leitender Auflagestruktur 35 mit der Kathodenhalbschale 1
100
Elektrolyseur mit Elektrolysezellen Z (n), n = Anzahl der Elektrolysezellen Z
According to the invention, the electrochemical reduction of carbon dioxide takes place in an electrolysis cell. An example of such an electrolysis cell is shown in 1 shown. According to 1 the reference symbols mentioned therein have the following meaning:
Z
Electrolysis cell
1
Cathode half shell
2
Anode half shell
3
Separator (diaphragm, ion exchange membrane)
4
Gas space (cathode)
5
first gas supply line for carbon dioxide (cathode chamber)
6
first gas discharge for gaseous reaction products (cathode compartment)
7
second gas discharge for anode reaction product
8th
Anolyte feed
9
Anolyte drain
10
anode
11
Cathode (silver-containing gas diffusion electrode)
12
Catholyte dream (electrolyte dream)
12a
Catholyte gap (electrolyte space)
13
Catholyte inlet
14
Catholyte drain
15
Anode compartment
15a
Anolyte
16
Cathode compartment
17
Catholyte
31
Power line cathode
32
Power line anode
34
Distribution channel
35
electrically conductive support structure
36
Elastic electrically conductive connection between cathode 11 and support structure 35
55
Carbon dioxide gas source
90
electrically conductive connection anode with anode half-shell
91
electrically conductive connection of GDE 11, elastic structure 36, electrically conductive support structure 35 with the cathode half-shell 1
100
Electrolyzer with electrolysis cells Z (n), n = number of electrolysis cells Z

Die Kathodenhalbschale der Elektrolysezelle gemäß 1 weist einen Elektrolytzulauf 13 und einen Elektrolytablauf 14 sowie eine Gaszuführung 5 und eine Gasabführung 6 auf. Der Elektrolytzulauf 13 zur Kathodenhalbschale 1 erfolgt von oben und der zugeführte Katholyt 17 fließt von oben nach unten entlang der Gasdiffusionselektrode (GDE) 11. Dabei fließt der Katholyt 17 im Spalt 12 zwischen der Ionenaustauschermembran 3 und der GDE 11 nach unten. Um zu hohe Elektrolytflüsse durch den Spalt 12 bzw. 12a zu vermeiden, ist eine Strömungsbremse 24 im Spalt 12 montiert. Die Strömungsbremse 24 wird aus einem porösen Gewebe aus PTFE wie in der WO2003/042430A2 beschrieben gefertigt. Die Versorgung des Spaltes mit Katholyt 17 erfolgt durch Zuführung über einen Verteilerkanal 34. Die Kontaktierung der GDE 11 mit der Stromzuleitung 31 im Kathodenraum erfolgt über eine elastisch gelagerte elektrisch leitende Struktur 35. Diese elastische Struktur 35 liegt auf einer steifen Nickel-Metall-Struktur in Form eines Streckmetalls, auf (in 1 nicht gezeichnet). Das Streckmetall ist mit einer steifen Verbindung 91 mit der Kathodenhalbschale 1 elektrisch leitend verbunden. Die GDE 11 ist dabei auf der elastischen Struktur 35 gelagert und wird von der Seite des Gasraumes 4 aus elektrisch kontaktiert. Die Kathodenhalbschale 1 befindet sich entweder bei der bipolaren Verschaltung mehrerer Elektrolysezellen Z1, in elektrischem Kontakt mit einer Anodenhalbschale 2 einer anderen benachbarten Elektrolysezelle Z2 oder mit einer Stromzufuhrplatte. Entsprechend ist die äußerste Anodenhalbschale 2 mit der Stromabfuhrplatte elektrisch verbunden. Die Gaszuführung 5 für die Einleitung von Kohlendioxid zum Gasraum 4 erfolgt im unteren Teil des Gasraums 4, die Abführungsleitung 6 für gasförmige Reaktionsprodukte aus dem Kathodenraum 16 ist oben am Gasraum 4 angebracht. Um zu vermeiden, dass Gas mit dem Elektrolyt den Kathodenraum 16 über den Katholytablauf 14 verlässt, wird der Ablauf 14 in einer Variante zweckmäßigerweise so angeordnet, dass dieser in eine äußere Sammelrohrleitung für Katholyt getaucht eingeführt wird. Diese Tauchung ist grundsätzlich bekannt (siehe z.B. DE102005027735A1 ). Die Ablaufleitungen 14 und die Zulaufleitungen 13 für den Katholyt werden in einem Elektrolyseur E mit einer Vielzahl (n) von Elektrolysezellen Z1, Z2, ...Z(n) über äußere Verbindungsrohrleitungen zusammengeführt, in denen eine Strömungsverbindung besteht. Ebenso werden die Gasableitungen 6 und Gaszuleitungen 5 über äußere Verbindungsrohrleitungen zusammengeführt. Die Gasableitungen 7 für das Anodengas werden gesammelt, die kann ebenfalls über eine Sammelrohrleitung (nicht in 1 gezeichnet) erfolgen und einer zweiten Gastrenneinheit zugeführt oder das Anodengas wird zusammen mit dem Anolyt über gemeinsame Leitungen aus dem Anodenraum 15 abgeleitet. Der Spalt 12 bzw. 12a zwischen GDE 11 und Separator (Ionenaustauschermembran 3) hat eine Spaltbreite von mindestens 0,1 mm und ist mindestens 30 cm hoch und 10 cm breit. Aus der Kathodenhalbschale 1 kann über den Kathodenablauf 14 Katholyt 17 abgeführt werden.The cathode half-shell of the electrolysis cell according to 1 has an electrolyte inlet 13 and an electrolyte outlet 14 as well as a gas inlet 5 and a gas outlet 6. The electrolyte inlet 13 to the cathode half-shell 1 is from above and the supplied catholyte 17 flows from top to bottom along the gas diffusion electrode (GDE) 11. The catholyte 17 flows downwards in the gap 12 between the ion exchange membrane 3 and the GDE 11. In order to avoid excessive electrolyte flows through the gap 12 or 12a, a flow brake 24 is mounted in the gap 12. The flow brake 24 is made of a porous fabric made of PTFE as in the WO2003/042430A2 described. The gap is supplied with catholyte 17 by feeding it through a distribution channel 34. The contact between the GDE 11 and the power supply line 31 in the cathode chamber is made via an elastically mounted electrically conductive structure 35. This elastic structure 35 rests on a rigid nickel-metal structure in the form of an expanded metal, on which (in 1 not shown). The expanded metal is electrically connected to the cathode half-shell 1 by a rigid connection 91. The GDE 11 is mounted on the elastic structure 35 and is electrically contacted from the side of the gas chamber 4. The cathode half-shell 1 is either in the bipolar connection of several electrolysis cells Z1, in electrical contact with an anode half-shell 2 of another adjacent electrolysis cell Z2 or with a power supply plate. The outermost anode half-shell 2 is correspondingly electrically connected to the power discharge plate. The gas supply 5 for the introduction of carbon dioxide to the gas chamber 4 takes place in the lower part of the gas chamber 4, the discharge line 6 for gaseous reaction products from the cathode chamber 16 is attached to the top of the gas chamber 4. In order to prevent gas with the electrolyte from leaving the cathode chamber 16 via the catholyte outlet 14, the outlet 14 is expediently arranged in one variant so that it flows into an external collecting pipe dip for catholyte. This dip is basically known (see e.g. DE102005027735A1 ). The drain lines 14 and the feed lines 13 for the catholyte are brought together in an electrolyzer E with a plurality (n) of electrolysis cells Z1, Z2, ...Z(n) via external connecting pipes in which a flow connection exists. The gas outlet lines 6 and gas feed lines 5 are also brought together via external connecting pipes. The gas outlet lines 7 for the anode gas are collected, which can also be connected via a collecting pipe (not in 1 drawn) and fed to a second gas separation unit or the anode gas is discharged together with the anolyte from the anode chamber 15 via common lines. The gap 12 or 12a between the GDE 11 and the separator (ion exchange membrane 3) has a gap width of at least 0.1 mm and is at least 30 cm high and 10 cm wide. Catholyte 17 can be discharged from the cathode half-shell 1 via the cathode outlet 14.

Generell ist im Anodenraum einer im erfindungsgemäßen Verfahren zur CC2-Reduktion genutzten Elektrolysezelle Anolyt enthalten. Der Anolyt ist im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform eine wässrige Lösung eines Elektrolyten, wobei es sich als besonders bevorzugt erwies, wenn für die CO2-Reduktion der Anolyt eine wässrige Lösung enthaltend Alkalihydrogencarbonat, weiter bevorzugt Kaliumhydrogencarbonat, Caesiumhydrogencarbonat oder Natriumhydrogencarbonat, ganz besonders bevorzugt Kaliumhydrogencarbonat ist.In general, anolyte is contained in the anode compartment of an electrolysis cell used in the process according to the invention for CC 2 reduction. In a preferred embodiment, the anolyte is an aqueous solution of an electrolyte, it being particularly preferred if the anolyte for the CO 2 reduction is an aqueous solution containing alkali hydrogen carbonate, more preferably potassium hydrogen carbonate, cesium hydrogen carbonate or sodium hydrogen carbonate, very particularly preferably potassium hydrogen carbonate.

Als Anode kann in der Elektrolysezelle beispielsweise eine handelsübliche dimensionsstabile Anode, die mit einer Platin-Beschichtung der Fa. Umicore, Platinode®, zur SauerstoffEntwicklung ausgerüstet ist oder eine Iridiumdioxid-Anode, eingesetzt werden.For example, a commercially available dimensionally stable anode equipped with a platinum coating from Umicore, Platinode®, for oxygen development, or an iridium dioxide anode can be used as an anode in the electrolysis cell.

Anodenraum und Kathodenraum werden bevorzugt durch eine gemeinsame Trennvorrichtung, den Separator, voneinander getrennt. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Separator eine Ionenaustauschermembran oder ein Diaphragma, besonders bevorzugt ist der Separator eine Ionenaustauschermembran.The anode chamber and cathode chamber are preferably separated from one another by a common separating device, the separator. In a preferred embodiment of the invention, the separator is an ion exchange membrane or a diaphragm; the separator is particularly preferably an ion exchange membrane.

Als Ionenaustauschermembran sind insbesondere Membranen geeignet, die als Kationenaustauschermembranen ausgeführt sind und Kationen vom Anodenraum in den Kathodenraum leiten können. Diese sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Alternativ können grundsätzlich auch Anionenaustauschermembranen eingesetzt werden, die Anionen aus dem Kathodenraum in den Anodenraum transportieren. Bevorzugt werden Kationenaustauschermembranen eingesetzt. Der Ionentransport ist bei üblichen Ionenaustauschermembranen auch mit einem Wassertransport verbunden, der von den gewählten Konzentrationen des Anolyt und Katholyts, Temperatur und Betriebsbedingungen abhängt.Membranes that are particularly suitable as ion exchange membranes are those that are designed as cation exchange membranes and can transport cations from the anode compartment to the cathode compartment. These are generally known from the state of the art. Alternatively, anion exchange membranes that transport anions from the cathode compartment to the anode compartment can also be used. Cation exchange membranes are preferably used. In conventional ion exchange membranes, the ion transport is also associated with water transport, which depends on the selected concentrations of the anolyte and catholyte, temperature and operating conditions.

Als Diaphragma sind insbesondere alle grundsätzlich bekannten Diaphragmen geeignet, die den Anodenraum vom Kathodenraum gasdicht trennen. Hierbei sollte das Diaphragma insbesondere eine Gasdichtigkeit (Bubble point) von mehr als 10 mbar aufweisen, vorzugweise mehr als 300 mbar, besonders bevorzugt mehr als 1000 mbar. Insbesondere sollte das Diaphragma weiterhin gegenüber dem Elektrolyten und den Reaktionsgasen inert und bei den Betriebstemperaturen beständig sein. Diaphragmen für die Elektrolyse sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt.In particular, all known diaphragms that separate the anode chamber from the cathode chamber in a gas-tight manner are suitable as diaphragms. The diaphragm should in particular have a gas-tightness (bubble point) of more than 10 mbar, preferably more than 300 mbar, particularly preferably more than 1000 mbar. In particular, the diaphragm should also be inert to the electrolyte and the reaction gases and resistant to the operating temperatures. Diaphragms for electrolysis are basically known from the state of the art.

Im Kathodenraum der Elektrolysezelle ist Katholyt enthalten. Der Katholyt ist im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform eine wässrige Lösung eines Elektrolyten, wobei es sich für die CO2-Reduktion als besonders bevorzugt erwies, wenn der Katholyt eine wässrige Lösung von Alkalihydrogencarbonat, weiter bevorzugt Kaliumhydrogencarbonat, Caesiumhydrogencarbonat oder Natriumhydrogencarbonat, ganz besonders bevorzugt Kaliumhydrogencarbonat ist.Catholyte is contained in the cathode compartment of the electrolysis cell. In a preferred embodiment, the catholyte is an aqueous solution of an electrolyte, and it has proven particularly preferred for CO 2 reduction if the catholyte is an aqueous solution of alkali hydrogen carbonate, more preferably potassium hydrogen carbonate, cesium hydrogen carbonate or sodium hydrogen carbonate, very particularly preferably potassium hydrogen carbonate.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die besagte vorreduzierte Gasdiffusionselektrode als Silber enthaltende Gasdiffusionselektrode als Kathode in besagter Elektrolysezelle zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid durch Anlegen eines Elektrolysestromes angewendet, wobei dem Gasraum ein Kohlendioxid-haltiges Gas in Form eines Gasstroms zugeführt wird und die Zusammensetzung des zugeführten Gases bezogen auf dessen Volumen mehr als 80 Vol.-% CO2, bevorzugt mehr als 95 Vol.-% CO2, enthält.In the process according to the invention, said pre-reduced gas diffusion electrode is used as a silver-containing gas diffusion electrode as a cathode in said electrolysis cell for the electrochemical reduction of carbon dioxide by applying an electrolysis current, wherein a carbon dioxide-containing gas is supplied to the gas space in the form of a gas stream and the composition of the supplied gas contains more than 80 vol.% CO 2 , preferably more than 95 vol.% CO 2 , based on its volume.

Die besagte Gasdiffusionselektrode unterteilt den Kathodenraum in einen Gasraum und einen Katholytraum. Der Katholytraum ist bevorzugt als Spalt (auch Kathodenspalt genannt) zwischen Separator und Gasdiffusionselektrode ausgestaltet, wobei dieser Spalt zur Durchleitung des Katholyts nach dem Prinzip eines fallenden Flüssigkeitsfilms angeordnet ist.The gas diffusion electrode in question divides the cathode space into a gas space and a catholyte space. The catholyte space is preferably designed as a gap (also called cathode gap) between the separator and the gas diffusion electrode, whereby this gap is arranged to pass the catholyte according to the principle of a falling liquid film.

In einer anderen bevorzugten Ausführung der neuen Elektrolysezelle ist im Spalt zwischen Membrane und GDE ein Mittel zur Strömungsbremsung des Katholytstroms, nachfolgend Strömungsbremse genannt, vorgesehen. Hiermit kann die Verweilzeit des Katholyts im Spalt vor der Kathode gesteuert werden. Die Strömungsbremse ist besonders bevorzugt als elektrisch nicht leitendes, inertes textiles Flächengebilde, ausgebildet.In another preferred embodiment of the new electrolysis cell, a means for flow braking of the catholyte flow, hereinafter referred to as flow brake, is provided in the gap between the membrane and the GDE. This can be used to control the residence time of the catholyte in the gap in front of the cathode. The flow brake is particularly preferably designed as an electrically non-conductive, inert textile fabric.

Die Strömungsbremse kann insbesondere aus einem porösen textilen Flächengebilde, insbesondere bevorzugt einem Gewebe, Gestrick oder Gewirk, bestehen, das im Spalt angeordnet wird. Denkbar sind als Alternative auch mechanische Einbauten im Spalt, die eine horizontale oder zur Horizontalen leicht angewinkelte Elektrolytführung ermöglichen, sodass ein mäandrierender Fluss des Elektrolyts resultiert.The flow brake can in particular consist of a porous textile fabric, particularly preferably a woven, knitted or warp-knitted fabric, which is arranged in the gap. As an alternative, mechanical fittings in the gap are also conceivable, which enable the electrolyte to be guided horizontally or at a slight angle to the horizontal, resulting in a meandering flow of the electrolyte.

Weitere Ausführungsformen einer nach dem Prinzip des fallenden Flüssigkeitsfilms arbeitenden Kathode sind in der Druckschrift WO 2020/057998 A1 offenbart, auf die hier ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen wird.Further embodiments of a cathode operating according to the principle of the falling liquid film are described in the publication WO 2020/057998 A1 which are expressly and fully incorporated herein by reference.

In einem gemäß Rangfolge erstem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Gasdiffusionselektrode bereitgestellt, die Silberoxid enthält, Als Silberoxid enthält die Gasdiffusionselektrode bevorzugt Silber-I-Oxid, Silber-II-Oxid oder deren Gemische. Besonders bevorzugt enthält die bereitgestellte Gasdiffusionselektrode Silber-I-Oxid, Silber-II-Oxid oder deren Gemische in Kombination mit metallischem Silber.In a first step of the method according to the invention, a gas diffusion electrode is provided which contains silver oxide. The gas diffusion electrode preferably contains silver-I-oxide, silver-II-oxide or mixtures thereof as silver oxide. The gas diffusion electrode provided particularly preferably contains silver-I-oxide, silver-II-oxide or mixtures thereof in combination with metallic silver.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform enthält die bereitgestellte Gasdiffusionselektrode vor der Reduktion des Silberoxids mindestens 50 Gew.%; bevorzugt mindestens 75 Gew.-%; besonders bevorzugt mindestens 80 Gew.-% Silber-I-Oxid, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Gasdiffusionselektrode.In a further embodiment, the gas diffusion electrode provided contains at least 50% by weight; preferably at least 75% by weight; particularly preferably at least 80% by weight of silver-I-oxide, in each case based on the total weight of the gas diffusion electrode, before the reduction of the silver oxide.

Besonders bevorzugt werden Gasdiffusionselektroden bereitgestellt, die zu 70 bis 95 Gew.% Silber-I-Oxid, 0 bis 15 Gew.% metallisches Silber und 3 bis 15 Gew.% Fluor-haltiges Polymer (bevorzugt Polytetrafluoroethylen (PTFE)) enthalten.Particularly preferred are gas diffusion electrodes which contain 70 to 95 wt.% silver-I-oxide, 0 to 15 wt.% metallic silver and 3 to 15 wt.% fluorine-containing polymer (preferably polytetrafluoroethylene (PTFE)).

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, dass die Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silberoxid, mindestens eine auf einem metallischen oder nichtmetallischen, leitfähigen oder nichtleitfähigen Träger aufgebrachte, kompaktierte Mischung umfasst, enthaltend Silberoxidpartikel im Gemisch mit Partikeln mindestens eines pulverförmigen, Fluor-haltigen Polymers, insbesondere Polytetrafluoroethylen (PTFE) Pulver, als Bindemittel.A preferred embodiment of the method is characterized in that the gas diffusion electrode containing silver oxide comprises at least one compacted mixture applied to a metallic or non-metallic, conductive or non-conductive carrier, containing silver oxide particles in a mixture with particles of at least one powdered, fluorine-containing polymer, in particular polytetrafluoroethylene (PTFE) powder, as a binder.

Die Porosität der kompaktierten Mischung, gerechnet aus Materialdichten der eingesetzten Rohstoffe, beträgt im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Gasdiffusionselektrode mehr als 10%, jedoch weniger als 80%.The porosity of the compacted mixture, calculated from the material densities of the raw materials used, is more than 10% but less than 80% in a preferred embodiment of the gas diffusion electrode.

Eine in dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt einsetzbare Gasdiffusionselektrode wird besonders bevorzugt nach einem Verfahren hergestellt, welches die folgenden Schritte umfasst:

  • (a) Herstellen einer Pulvermischung, welche wenigstens einen Katalysator und ein Bindemittel enthält (b) Aufbringen der Pulvermischung auf ein, bevorzugt elektrisch leitendes, Trägerelement (c) Verpressen der Pulvermischung mit dem elektrisch leitenden Trägerelement.
A gas diffusion electrode which can preferably be used in the process according to the invention is particularly preferably produced by a process which comprises the following steps:
  • (a) Producing a powder mixture which contains at least one catalyst and one binder (b) Applying the powder mixture to a, preferably electrically conductive, carrier element (c) Pressing the powder mixture with the electrically conductive carrier element.

Dabei wird die Pulvermischung, welche den Katalysator und das Bindemittel sowie ggf. weitere Komponenten enthält, direkt auf das Trägerelement aufgebracht und anschließend mit dem Trägerelement verpresst. Dadurch wird besagte kompaktierte Mischung erhalten.The powder mixture, which contains the catalyst and the binder as well as other components if necessary, is applied directly to the carrier element and then pressed onto the carrier element. This produces the compacted mixture mentioned.

Die Pulvermischung enthält mindestens einen Katalysator und mindestens ein Bindemittel. Als Katalysator dient Silber, eine Silberverbindung oder eine Mischung davon, wobei mindestens Silberoxid als Silberverbindung enthalten ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Silberoxid um Silber-I-Oxid, Silber-II-Oxid oder deren Gemische.The powder mixture contains at least one catalyst and at least one binder. The catalyst used is silver, a silver compound or a mixture thereof, with at least silver oxide being present as the silver compound. The silver oxide is preferably silver-I-oxide, silver-II-oxide or mixtures thereof.

Bei dem Bindemittel handelt es sich vorzugsweise um ein fluoriertes Polymer, besonders bevorzugt um Polytetrafluorethylen (PTFE). Besonders bevorzugt werden Pulvermischungen eingesetzt, die zu 70 bis 95 Gew.% Silber-I-Oxid, 0 bis 15 Gew.% aus Silber-Metall-Pulver und 3 bis 15 Gew.% PTFE enthalten. Als Pulvermischung kann auch eine Mischung eingesetzt werden, wie sie z.B. aus DE 101 30 441 A bekannt ist. Dabei ist der Katalysator, z.B. Silber, auf einem PTFE-Substrat gefällt.The binder is preferably a fluorinated polymer, particularly preferably polytetrafluoroethylene (PTFE). Powder mixtures containing 70 to 95% by weight of silver-I-oxide, 0 to 15% by weight of silver metal powder and 3 to 15% by weight of PTFE are particularly preferred. A mixture such as that made from DE 101 30 441 A The catalyst, e.g. silver, is precipitated on a PTFE substrate.

Die Pulvermischung kann zusätzliche weitere Komponenten enthalten, z.B. Füllstoffe, enthaltend Nickel-Metall-, Raney-Nickel-, Raney-Silber-Pulver oder deren Gemische. Die Pulvermischung enthaltend mindestens einen Katalysator und mindestens ein Bindemittel bildet nach dem Aufbringen auf das Trägerelement und dem Verpressen mit dem Trägerelement eine elektrochemisch aktive Schicht der Gasdiffusionselektrode in Form einer kompaktierten Mischung.The powder mixture can contain additional components, e.g. fillers containing nickel metal, Raney nickel, Raney silver powder or mixtures thereof. The powder mixture containing at least one catalyst and at least one binder forms an electrochemically active layer of the gas diffusion electrode in the form of a compacted mixture after being applied to the carrier element and pressed onto the carrier element.

Das Herstellen der Pulvermischung erfolgt durch Mischen der Pulver des Katalysators und des Bindemittels sowie ggf. weiterer Komponenten. Das Mischen geschieht bevorzugt in einer Mischvorrichtung, welche schnell rotierende Mischelemente, wie z.B. Schlagmesser aufweisen. Zur Vermischung der Komponenten der Pulvermischung rotieren die Mischelemente bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 30 m/s oder mit einer Drehzahl von 4000 bis 8000 U/min. Wird der Katalysator, z.B. Silber-I-Oxid, mit PTFE als Bindemittel in einer derartigen Mischvorrichtung vermischt, wird das PTFE zu einer fadenähnlichen Struktur verstreckt und wirkt auf diese Weise als Bindemittel für den Katalysator. Nach dem Vermischen wird die Pulvermischung vorzugsweise gesiebt. Das Sieben erfolgt vorzugsweise mit einer Siebvorrichtung, welche mit Netzen oder dergleichen ausgerüstet ist, deren Maschenweite 0,1 bis 1,5 mm, besonders bevorzugt 0,2 bis 1,2 mm beträgt.The powder mixture is produced by mixing the powders of the catalyst and the binder and, if necessary, other components. Mixing is preferably carried out in a mixing device which has rapidly rotating mixing elements, such as impact knives. To mix the components of the powder mixture, the mixing elements preferably rotate at a speed of 10 to 30 m/s or at a speed of 4000 to 8000 rpm. If the catalyst, e.g. silver-I-oxide, is mixed with PTFE as a binder in such a mixing device, the PTFE is stretched to form a thread-like structure and in this way acts as a binder for the catalyst. After mixing, the powder mixture is preferably sieved. Sieving is preferably carried out using a sieving device which is equipped with nets or the like, the mesh size of which is 0.1 to 1.5 mm, particularly preferably 0.2 to 1.2 mm.

Das Aufbringen der Pulvermischung auf das elektrisch leitfähige Trägerelement erfolgt insbesondere durch Streuen. Das Streuen der Pulvermischung auf das Trägerelement kann z.B. durch ein Sieb geschehen.The powder mixture is applied to the electrically conductive carrier element in particular by scattering. The powder mixture can be scattered onto the carrier element using a sieve, for example.

Die Verpressung der Pulvermischung mit dem Trägerelement kann insbesondere mittels Walzen erfolgen. Vorzugsweise wird ein Walzenpaar eingesetzt. Es kann jedoch auch eine Walze auf einer im Wesentlichen flachen Unterlage eingesetzt werden, wobei entweder die Walze oder die Unterlage bewegt wird. Ferner kann das Verpressen durch einen Pressstempel erfolgen. Die Kräfte beim Verpressen betragen vorzugsweise 0,01 bis 7 kN/cm, bevorzugt 0,1 bis 1 kN/cm.The powder mixture can be pressed onto the carrier element in particular by means of rollers. Preferably, a pair of rollers is used. However, a roller can also be used on a substantially flat base, with either the roller or the base being moved. Furthermore, the pressing can be carried out using a press stamp. The forces during pressing are preferably 0.01 to 7 kN/cm, more preferably 0.1 to 1 kN/cm.

Die Gasdiffusionselektrode wird speziell beispielhaft wie folgt hergestellt:

  • 3,5 kg einer Pulvermischung, bestehend aus 5 Gew.% PTFE-Pulver, 88 Gew.% Silber-I-Oxid und 7 Gew.% Silberpulver (z.B. Typ 331 der Fa. Ferro), wurden in einem Mischer der Fa. Eirich, Typ R02, ausgerüstet mit einem Sternwirbler als Mischelement, bei einer Drehzahl von 6000 U/min so gemischt, dass die Temperatur der Pulvermischung 55 °C nicht überstieg. Insgesamt wurde das Mischen dreimal bei einer Mischzeit von 50 Sekunden und dreimal bei einer Mischzeit von 60 Sekunden durchgeführt. Nach dem Mischen wurde die Pulvermischung mit einem Sieb mit einer Maschenweite von 1,0 mm gesiebt. Die gesiebte Pulvermischung wurde anschließend auf ein elektrisch leitfähiges Trägerelement aufgebracht. Das Trägerelement war ein Drahtnetz aus Silber mit einer Drahtdicke von 0,14 mm und einer Maschenweite von 0,5 mm. Das Aufbringen erfolgte mit Hilfe einer 2 mm dicken Schablone, wobei das Pulver mit einem Sieb mit einer Maschenweite von 1,0 mm aufgebracht wurde. Überschüssiges Pulver, das über die Dicke der Schablone hinausragte, wurde mittels eines Abstreifers entfernt. Nach Entfernung der Schablone wird der Träger mit der aufgebrachten Pulvermischung mittels einer Walzenpresse mit einer Presskraft von 0,45 kN/cm verpresst. Der Walzenpresse wurde die Gasdiffusionselektrode entnommen. Die resultierende Gasdiffusionselektrode hatte eine Porosität von etwa 50 %.
The gas diffusion electrode is specifically manufactured as follows:
  • 3.5 kg of a powder mixture consisting of 5 wt.% PTFE powder, 88 wt.% silver-I-oxide and 7 wt.% silver powder (e.g. type 331 from Ferro) were mixed in an Eirich mixer, type R02, equipped with a star vortex as a mixing element, at a speed of 6000 rpm so that the temperature of the powder mixture did not exceed 55 °C. In total, mixing was carried out three times with a mixing time of 50 seconds and three times with a mixing time of 60 seconds. After mixing, the powder mixture was sieved with a sieve with a mesh size of 1.0 mm. The sieved powder mixture was then applied to an electrically conductive carrier element. The carrier element was a wire mesh made of silver with a wire thickness of 0.14 mm and a mesh size of 0.5 mm. The powder was applied using a 2 mm thick stencil, with the powder being applied using a sieve with a mesh size of 1.0 mm. Excess powder that protruded beyond the thickness of the stencil was removed using a scraper. After the stencil was removed, the carrier with the applied powder mixture was pressed using a roller press with a pressing force of 0.45 kN/cm. The gas diffusion electrode was removed from the roller press. The resulting gas diffusion electrode had a porosity of about 50%.

Im Allgemeinen wird im erfindungsgemäßen Verfahren vor der elektrochemischen Reduktion des Kohlendioxids das Silberoxid der bereitgestellten Gasdiffusionselektrode in Gegenwart der Reduktionsumgebung unter Erhalt der Silber enthaltenden Gasdiffusionselektrode vorreduziert. Dabei kann die bereitgestellte Gasdiffusionselektrode in derjenigen Elektrolysezelle vorreduziert werden, in der auch im Anschluss an die Vorreduktion die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid stattfindet. Zu diesem Zweck wird die Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silberoxid, vor der Reduktion des Silberoxids in den Kathodenraum der für die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid genutzten Elektrolysezelle eingebracht und zur Bereitstellung der Reduktionsumgebung eine solche Zusammensetzung in den Kathodenraum, i.e. den Gasraum und den Katholytraum, eingebracht, sodass die Gasdiffusionselektrode von dieser Zusammensetzung zumindest teilweise eingehüllt ist und mit dieser Zusammensetzung in Kontakt steht, wobei die eingebrachte Zusammensetzung bezogen auf ihr Gesamtgewicht eine Menge von 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält.In general, in the process according to the invention, before the electrochemical reduction of the carbon dioxide, the silver oxide of the gas diffusion electrode provided is pre-reduced in the presence of the reduction environment to obtain the gas diffusion electrode containing silver. The gas diffusion electrode provided can be pre-reduced in the electrolysis cell in which the electrochemical reduction of carbon dioxide also takes place following the pre-reduction. For this purpose, the gas diffusion electrode containing silver oxide is introduced into the cathode compartment of the electrolysis cell used for the electrochemical reduction of carbon dioxide before the reduction of the silver oxide and, to provide the reduction environment, such a composition is introduced into the cathode compartment, ie the gas compartment and the catholyte compartment, so that the gas diffusion electrode is at least partially enveloped by this composition and is in contact with this composition, the introduced composition containing, based on its total weight, an amount of 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof.

Es ist für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich, dass das Silberoxid der bereitgestellten Gasdiffusionselektrode in einer Reduktionsumgebung unter Erhalt der vorreduzierten Gasdiffusionselektrode reduziert wird. Dabei ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, wenn die dadurch erhaltene vorreduzierte Gasdiffusionselektrode ein Gewichtsverhältnis von metallischem Silber zu Silberoxiden von mindestens 100000 aufweist.It is essential for the method according to the invention that the silver oxide of the gas diffusion electrode provided is reduced in a reduction environment to obtain the pre-reduced gas diffusion electrode. It is particularly preferred according to the invention if the pre-reduced gas diffusion electrode obtained in this way has a weight ratio of metallic silver to silver oxides of at least 100,000.

Vorzugsweise wird die Reduktion des Silberoxids elektrochemisch durch Anlegen von elektrischem Strom durchgeführt und die Gasdiffusionselektrode steht dabei zumindest mit Katholyt und der besagten Zusammensetzung in Kontakt.Preferably, the reduction of the silver oxide is carried out electrochemically by applying an electric current and the gas diffusion electrode is in contact at least with catholyte and the said composition.

Die Durchführung der Reduktion des Silberoxids in der besagten für die Reduktion von Kohlendioxid genutzten Elektrolysezelle ist eine erfindungsgemäß bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens. Es ist ebenso möglich, die bereitgestellte Gasdiffusionselektrode in einer separaten elektrochemischen Vorrichtung zur Vorreduktion zu reduzieren, in der die bereitgestellte Gasdiffusionselektrode als Kathode fungiert und eine Anode entsprechend vorgesehen ist und auch die besagte Zusammensetzung entsprechend eingebracht wird. Die gemäß dieser Ausführungsform resultierende vorreduzierte Gasdiffusionselektrode wird anschließend aus dieser separaten Vorrichtung entfernt und in die Elektrolysezelle zur Reduktion von Kohlendioxid eingebracht, bevor die besagte vorreduzierte Gasdiffusionselektrode als Silber enthaltende Gasdiffusionselektrode in besagter Elektrolysezelle zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid durch Anlegen eines Elektrolysestromes unter Zuführung eines Kohlendioxid-haltigen Gasstroms zur Anwendung kommt.Carrying out the reduction of the silver oxide in the electrolysis cell used for the reduction of carbon dioxide is a preferred embodiment of the method according to the invention. It is also possible to reduce the gas diffusion electrode provided in a separate electrochemical device for pre-reduction, in which the gas diffusion electrode provided acts as a cathode and an anode is provided accordingly and the composition is also introduced accordingly. The pre-reduced gas diffusion electrode resulting according to this embodiment is then removed from this separate device and introduced into the electrolysis cell for the reduction of carbon dioxide before the pre-reduced gas diffusion electrode is used as a silver-containing gas diffusion electrode in the electrolysis cell for the electrochemical reduction of carbon dioxide by applying an electrolysis current while supplying a gas stream containing carbon dioxide.

Die besagte Zusammensetzung hüllt die Gasdiffusionselektrode zumindest teilweise ein, d.h. zumindest diejenigen Teile der Gasdiffusionselektrode, die während der späteren Reduktion von Kohlendioxid mit dem Katholyten und dem Kohlendioxid in Kontakt stehen, stehen während der Reduktionsbedingungen mit der Gasdiffusionselektrode in Kontakt.The said composition at least partially envelops the gas diffusion electrode, i.e. at least those parts of the gas diffusion electrode which are in contact with the catholyte and the carbon dioxide during the subsequent reduction of carbon dioxide are in contact with the gas diffusion electrode during the reduction conditions.

Die besagte Zusammensetzung kann beispielsweise als Gas und/oder als Flüssigkeit vorliegen. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Gas in Form einer Gasphase vorliegt, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens eines Gases, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält. Eine solche Gasphase wird nachfolgend ebenso als Inertgas oder Inertgasatmosphäre bezeichnet. Ebenso ist es bevorzugt, wenn die Flüssigkeit in Form einer wasserhaltigen, flüssigen Phase vorliegt, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch gelöst enthält.The composition in question can be present, for example, as a gas and/or as a liquid. It is preferred if the gas is present in the form of a gas phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one gas selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof. Such a gas phase is also referred to below as an inert gas or inert gas atmosphere. It is also preferred if the liquid is present in the form of a water-containing, liquid phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof in solution.

Unter einer „Phase“ wird erfindungsgemäß ein Stoff oder ein Stoffgemisch verstanden, das mit einem anderen Stoff oder Stoffgemisch in Kontakt steht und eine Phasengrenze ausbildet. Eine Phasengrenze ist eine Bezeichnung für Flächen, die zwei nicht miteinander vermischte Phasen voneinander trennen; beispielsweise die trennenden Flächen zwischen den Phasen flüssig-fest, flüssig-flüssig, fest-fest, fest-gasförmig oder flüssig-gasförmigAccording to the invention, a "phase" is understood to mean a substance or a mixture of substances that is in contact with another substance or mixture of substances and forms a phase boundary. A phase boundary is a term for surfaces that separate two phases that are not mixed with each other; for example, the separating surfaces between the liquid-solid, liquid-liquid, solid-solid, solid-gaseous or liquid-gaseous phases.

Unter einer Gasphase wird ein Stoff oder ein Stoffgemisch verstanden, wobei der besagte Stoff oder besagtes Stoffgemisch bei 20°C und 1013 mbar gasförmig vorliegt und bei Kontakt mit der Gasdiffusionselektrode eine Phasengrenze ausbildet.A gas phase is understood to be a substance or a mixture of substances, whereby the said substance or mixture of substances is in gaseous form at 20°C and 1013 mbar and forms a phase boundary upon contact with the gas diffusion electrode.

Unter einer flüssigen Phase wird ein Stoff oder ein Stoffgemisch verstanden, wobei der besagte Stoff oder besagtes Stoffgemisch bei 20°C und 1013 mbar gasförmig vorliegt und bei Kontakt mit der Gasdiffusionselektrode eine Phasengrenze ausbildet.A liquid phase is understood to be a substance or a mixture of substances, whereby the said substance or mixture of substances is in gaseous form at 20°C and 1013 mbar and forms a phase boundary upon contact with the gas diffusion electrode.

Unter einem Inertgas versteht der Fachmann einen bei 20°C und 1013 mbar gasförmigen Stoff, der, insbesondere auch unter den Bedingungen der Vorreduktion, keine merkliche chemische Reaktion mit der Gasdiffusionselektrode eingeht und der bezogen auf sein Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens eines Gases, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält. Als Bezugswert für eine inerte Wirkung dient Stickstoff. Eine Inertgasatmosphäre ist eine im zuvor beschriebenen Maße inerte Gasphase, enthaltend mindestens einen gasförmigen Stoff und bezogen auf das Gesamtgewicht der inerten Gasphase 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens eines Gases, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch. Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens gekennzeichnet sich dadurch, dass die Inertgasatmosphäre Stickstoff, Argon oder Mischungen daraus enthält und bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens eines Gases, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält.A person skilled in the art understands an inert gas to be a substance which is gaseous at 20°C and 1013 mbar and which, in particular under the conditions of pre-reduction, does not enter into any noticeable chemical reaction with the gas diffusion electrode and which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one gas selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof. Nitrogen serves as a reference value for an inert effect. An inert gas atmosphere is a gas phase which is inert to the extent described above, containing at least one gaseous substance and, based on the total weight of the inert gas phase, 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one gas selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof. A preferred embodiment of the method is characterized in that the inert gas atmosphere contains nitrogen, argon or mixtures thereof and, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one gas selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof.

Die Inertgasatmosphäre kann bevorzugt eine bereitgestellte Gasdiffusionselektrode durchdringen. Dies kann durch Anlegen eines durch die Gasdiffusionselektrode hindurch geleiteten Inertgas-Stromes vor und/oder während der Reduktion des Silberoxids, bevorzugt mit einer Durchflussrate in einem Bereich von 5 L/h bis 21 L/h, erzielt werden. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das Inertgas der Inertgasatmosphäre vor der Reduktion durch die Silberoxid enthaltende Gasdiffusionselektrode hindurch geleitet wird, bevorzugt mit einer Durchflussrate in einem Bereich von 5 L/h bis 21 L/h.The inert gas atmosphere can preferably penetrate a provided gas diffusion electrode. This can be achieved by applying an inert gas stream passed through the gas diffusion electrode before and/or during the reduction of the silver oxide, preferably with a flow rate in a range from 5 L/h to 21 L/h. It is particularly preferred if the inert gas of the inert gas atmosphere is passed through the gas diffusion electrode containing silver oxide before the reduction, preferably with a flow rate in a range from 5 L/h to 21 L/h.

Wird die Reduktion des Silberoxids der Gasdiffusionselektrode in einer elektrochemischen Vorrichtung zur Vorreduktion durchgeführt, in der der Kathodenraum einen Katholytraum und einen Gasraum aufweist, so kann im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Bereitstellung der Reduktionsumgebung die besagte Zusammensetzung in Form einer Gasphase, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens eines Gases, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält, in den Gasraum des Kathodenraumes eingebracht werden und in den Katholytraum eine weitere Zusammensetzung in Form einer wasserhaltigen, flüssigen Phase, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch gelöst enthält, als Katholyt eingebracht wird.If the reduction of the silver oxide of the gas diffusion electrode is carried out in an electrochemical device for pre-reduction in which the cathode space has a catholyte space and a gas space, then in a preferred embodiment of the method for providing the reduction environment, the said composition in the form of a gas phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one gas selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof, can be introduced into the gas space of the cathode space and a further composition in the form of a water-containing, liquid phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof in solution, can be introduced into the catholyte space as a catholyte.

Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Vorrichtung zur Vorreduktion die für die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid genutzten Elektrolysezelle ist.It is particularly preferred if the device for pre-reduction is the electrolysis cell used for the electrochemical reduction of carbon dioxide.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Reduktion mindestens einen Kathodenraum, enthaltend mindestens einen Katholytraum und mindestens einen Gasraum aufweist und die Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silberoxid, vor der Reduktion des Silberoxids in den Kathodenraum der Vorrichtung zur Reduktion (insbesondere der für die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid genutzten Elektrolysezelle) eingebracht wird, und zur Bereitstellung der Reduktionsumgebung besagte Zusammensetzung in Form einer wasserhaltigen, flüssigen Phase, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch gelöst enthält, sowohl als ein Katholyt in einen Katholytraum der Vorrichtung zur Reduktion als auch in den Gasraum der besagten Vorrichtung eingebracht wird. A further preferred embodiment of the method is characterized in that the device for reduction has at least one cathode space containing at least one catholyte space and at least one gas space and the gas diffusion electrode containing silver oxide is introduced into the cathode space of the device for reduction (in particular the electrolysis cell used for the electrochemical reduction of carbon dioxide) before the reduction of the silver oxide, and to provide the reduction environment, said composition in the form of a water-containing, liquid phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or their mixture in solution, is introduced both as a catholyte into a catholyte space of the device for reduction and into the gas space of said device.

Ebenso ist es möglich, dass die Vorrichtung zur Reduktion mindestens einen Kathodenraum, enthaltend mindestens einen Katholytraum aufweist und die Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silberoxid, vor der Reduktion des Silberoxids in den Kathodenraum der Vorrichtung zur Reduktion (insbesondere der für die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid genutzten Elektrolysezelle) eingebracht wird, und zur Bereitstellung der Reduktionsumgebung besagte Zusammensetzung in Form einer wasserhaltigen, flüssigen Phase, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch gelöst enthält, als ein Katholyt in einen Katholytraum der Vorrichtung zur Reduktion eingebracht wird.It is also possible for the reduction device to have at least one cathode chamber containing at least one catholyte chamber and for the gas diffusion electrode containing silver oxide to be introduced into the cathode chamber of the reduction device (in particular the electrolysis cell used for the electrochemical reduction of carbon dioxide) before the reduction of the silver oxide, and for the provision of the reduction environment, said composition in the form of a water-containing, liquid phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof in solution is introduced as a catholyte into a catholyte chamber of the reduction device.

Die Reduktion von Silberoxid der bereitgestellten Gasdiffusionselektrode zur Silber enthaltenden vorreduzierten Gasdiffusionselektrode in besagter Reduktionsumgebung wird bevorzugt elektrochemisch durch das Anlegen von elektrischem Strom durchgeführt. Dabei hat es sich wiederum als besonders bevorzugt erwiesen, wenn die Reduktion von Silberoxid der Gasdiffusionselektrode zu Silber durch Anlegen von elektrischem Strom bei einer Stromdichte von 0,5 bis 4 kA/m2, bevorzugt von 0,5 bis 2,5 kA/m2 durchgeführt wird.The reduction of silver oxide of the gas diffusion electrode provided to the silver-containing pre-reduced gas diffusion electrode in said reduction environment is preferably carried out electrochemically by applying an electric current. It has again proven to be particularly preferred if the reduction of silver oxide of the gas diffusion electrode to silver is carried out by applying an electric current at a current density of 0.5 to 4 kA/m 2 , preferably 0.5 to 2.5 kA/m 2 .

Die Durchführung einer elektrochemischen Vorreduktion kann generell ohne viel Zeitaufwand erfolgen. Es sind solche Verfahren dieser Ausführungsform bevorzugt, die sich, dadurch kennzeichnen, dass die Reduktion von Silberoxid der Gasdiffusionselektrode zu Silber durch Anlegen von elektrischem Strom über einen Zeitraum von mindestens 20 Minuten, bevorzugt von mindestens 30 Minuten, durchgeführt wird. Es hat sich weiterhin besonders bevorzugt gezeigt, dass die die Reduktion von Silberoxid der Gasdiffusionselektrode zu Silber durch Anlegen von elektrischem Strom über einen Zeitraum von höchstens 120 Minuten, besonders bevorzugt von höchstens 60 Minuten, durchgeführt werden kann. Ganz besonders bevorzugt wird die Reduktion von Silberoxid der Gasdiffusionselektrode zu Silber durch Anlegen von elektrischem Strom über einen Zeitraum von 20 bis 120 Minuten, weiter bevorzugt von 20 bis 60 Minuten, weiter bevorzugt von 20 bis 120 Minuten, am bevorzugtesten von 30 bis 60 Minuten, durchgeführt.An electrochemical pre-reduction can generally be carried out without much expenditure of time. Methods of this embodiment are preferred which are characterized in that the reduction of silver oxide of the gas diffusion electrode to silver is carried out by applying an electric current over a period of at least 20 minutes, preferably at least 30 minutes. It has also been shown to be particularly preferred that the reduction of silver oxide of the gas diffusion electrode to silver can be carried out by applying an electric current over a period of at most 120 minutes, particularly preferably at most 60 minutes. The reduction of silver oxide of the gas diffusion electrode to silver is very particularly preferably carried out by applying an electric current over a period of 20 to 120 minutes, more preferably from 20 to 60 minutes, more preferably from 20 to 120 minutes, most preferably from 30 to 60 minutes.

Vor dem Schritt der Reduktion von Silberoxid ist es bevorzugt, wenn die Gasdiffusionselektrode mit Elektrolyt in Kontakt steht und eine Anode ebenso mit Elektrolyt in Kontakt steht. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, wenn vor dem Schritt der Reduktion von Silberoxid der Anolytraum der Vorrichtung zur Vorreduktion mit Anolyt und der Katholytraum mit Katholyt befüllt wird. Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Schritt der Reduktion von Silberoxid der Anolytraum der elektrochemischen Vorrichtung zur Vorreduktion mit Anolyt und der Katholytraum mit Katholyt befüllt und der Katholyt in Form eines Katholytstromes zumindest während der Reduktion in den Katholytraum ein- und wieder ausgebracht.Before the step of reducing silver oxide, it is preferred if the gas diffusion electrode is in contact with electrolyte and an anode is also in contact with electrolyte. For this purpose, it is preferred if, before the step of reducing silver oxide, the anolyte space of the device for pre-reduction is filled with anolyte and the catholyte space is filled with catholyte. Within the scope of a particularly preferred embodiment of the invention, before the step of reducing silver oxide, the anolyte space of the electrochemical device for pre-reduction is filled with anolyte and the catholyte space is filled with catholyte and the catholyte space is introduced into and removed from the catholyte space in the form of a catholyte stream at least during the reduction.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform hat es sich wiederum als bevorzugt herausgestellt, wenn die besagte Zusammensetzung in der Reduktionsumgebung als Katholyt fungiert und eine wässrige Lösung von Alkalihydrogencarbonat, bevorzugt Kaliumhydrogencarbonat, Caesiumhydrogencarbonat oder Natriumhydrogencarbonat ist, besonders bevorzugt Kaliumhydrogencarbonat ist.In a further embodiment, it has again been found to be preferred if the said composition acts as a catholyte in the reduction environment and an aqueous solution of alkali hydrogen carbonate, preferably potassium hydrogen carbonate, caesium hydrogen carbonate or sodium hydrogen carbonate, particularly preferably potassium hydrogen carbonate.

Zudem ist eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens dadurch gekennzeichnet, dass der Anolyt in der Vorrichtung zur Reduktion eine wässrige Lösung von Alkalihydrogencarbonat, bevorzugt Kaliumhydrogencarbonat, Caesiumhydrogencarbonat oder Natriumhydrogencarbonat ist, besonders bevorzugt Kaliumhydrogencarbonat ist.In addition, a preferred embodiment of the process is characterized in that the anolyte in the device for reduction is an aqueous solution of alkali hydrogen carbonate, preferably potassium hydrogen carbonate, cesium hydrogen carbonate or sodium hydrogen carbonate, particularly preferably potassium hydrogen carbonate.

Es hat sich darüber hinaus als bevorzugt herausgestellt, wenn während des Reduktionsschritts der pH-Wert des Elektrolyts, insbesondere des Katholyts, einen Wert von < pH 9,0 , besonders bevorzugt von < pH 8,5 , aufweist.It has further been found to be preferred if, during the reduction step, the pH of the electrolyte, in particular of the catholyte, has a value of < pH 9.0, particularly preferably < pH 8.5.

Wird die Reduktion von Silberoxid der bereitgestellten Gasdiffusionselektrode zur Silber enthaltenden vorreduzierten Gasdiffusionselektrode unter Einsatz der Reduktionsumgebung elektrochemisch durch Anlegen von elektrischem Strom durchgeführt, hat es sich als effektiv herausgestellt, dass während der Reduktion die Betriebstemperatur von Anolyt und Katholyt unabhängig voneinander in einem Bereich von 10°C bis 60°C liegt.If the reduction of silver oxide of the provided gas diffusion electrode to the silver-containing pre-reduced gas diffusion electrode is carried out electrochemically by applying electric current using the reduction environment, it has been found to be effective that the operating temperature of the anolyte and catholyte is independently in a range of 10°C to 60°C during the reduction.

Die Verwendung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorreduzierten Gasdiffusionselektrode zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid hat sich als vorteilhaft zur Lösung der erfindungsgemäßen technischen Aufgaben erwiesen. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung einer vorreduzierten Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silber, zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid, wobei die vorreduzierte Gasdiffusionselektrode erhalten wird durch Reduktion von Silberoxid einer Silberoxid-haltigen Gasdiffusionselektrode zu Silber durch zumindest folgende Verfahrensschritte:

  • Einbringen der einer Silberoxid-haltigen Gasdiffusionselektrode in einen Reduktionsraum einer elektrochemischen Vorrichtung,
  • Bereitstellung einer Reduktionsumgebung, in dem zur eingebrachten Gasdiffusionselektrode mindestens eine Zusammensetzung in den Reduktionsraum eingebracht, zur Gasdiffusionselektrode geführt und damit kontaktiert wird, wodurch die Gasdiffusionselektrode von dieser Zusammensetzung zumindest teilweise eingehüllt wird, unter der Maßgabe, dass diese eingebrachte Zusammensetzung bezogen auf ihr Gesamtgewicht eine Menge von 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält;
  • Reduktion von Silberoxid der eingebrachten Gasdiffusionselektrode zu Silber unter Aufrechterhaltung der Reduktionsumgebung und unter Erhalt einer vorreduzierten Gasdiffusionselektrode.
The use of a gas diffusion electrode pre-reduced according to the method according to the invention for the electrochemical reduction of carbon dioxide has proven to be advantageous for solving the technical problems according to the invention. A further subject of the invention is therefore the use of a pre-reduced gas diffusion electrode containing silver for the electrochemical reduction of carbon dioxide, wherein the pre-reduced gas diffusion electrode is obtained by reducing silver oxide of a silver oxide-containing gas diffusion electrode to silver by at least the following process steps:
  • Introducing a silver oxide-containing gas diffusion electrode into a reduction chamber of an electrochemical device,
  • Providing a reduction environment in which at least one composition is introduced into the reduction space for the introduced gas diffusion electrode, guided to the gas diffusion electrode and contacted therewith, whereby the gas diffusion electrode is at least partially enveloped by this composition, with the proviso that this introduced composition contains, based on its total weight, an amount of 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof;
  • Reduction of silver oxide of the introduced gas diffusion electrode to silver while maintaining the reduction environment and obtaining a pre-reduced gas diffusion electrode.

Dabei gelten alle relevanten bevorzugten Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens (insbesondere bevorzugte Merkmale der Gasdiffusionselektrode, der Bereitstellung der Reduktionsumgebung, der Reduktion von Silberoxid) auch für die Verwendung mutatis mutandis als bevorzugt.All relevant preferred features of the method according to the invention (in particular preferred features of the gas diffusion electrode, the provision of the reduction environment, the reduction of silver oxide) are also considered to be preferred for use mutatis mutandis.

Die nachfolgenden Aspekte 1 bis 18 stellen eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar, wobei die Bezugszeichen in Klammern lediglich klarstellenden Charakter haben und die Ausführungsform nicht auf den Gegenstand der 1 einschränkt:

  1. 1. Verfahren zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid in mindestens einer Elektrolysezelle (Z) mit mindestens einem Anodenraum (15), der mindestens eine mit Anolyt (15a) in Kontakt stehende Anode (10) enthält, und mit mindestens einem Kathodenraum (16), der mindestens eine Silber enthaltende Gasdiffusionselektrode als Kathode (11) enthält, wobei besagte Gasdiffusionselektrode den Kathodenraum (16) in einen Gasraum (4) und einem Katholytraum (12) unterteilt und der Gasraum (4) mindestens einen Einlass für einen Gasstrom und mindestens einen Auslass für einen Produktgasstrom aufweist, und wobei das Verfahren unter Ausführung mindestens folgender Schritte in nachfolgender Rangfolge durchgeführt wird Bereitstellung mindestens einer Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silberoxid; Einbringen der Gasdiffusionselektrode in einen Reduktionsraum einer elektrochemischen Vorrichtung, bevorzugt in den Kathodenraum (14) der Elektrolysezelle (Z); Bereitstellung einer Reduktionsumgebung, in dem zur eingebrachten Gasdiffusionselektrode mindestens eine Zusammensetzung in den Reduktionsraum eingebracht, zur Gasdiffusionselektrode geführt und damit kontaktiert wird, wodurch die Gasdiffusionselektrode von dieser Zusammensetzung zumindest teilweise eingehüllt wird, unter der Maßgabe, dass diese eingebrachte Zusammensetzung bezogen auf ihr Gesamtgewicht eine Menge von 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält; Reduktion von Silberoxid der eingebrachten Gasdiffusionselektrode zu Silber unter Aufrechterhaltung der Reduktionsumgebung und unter Erhalt einer vorreduzierten Gasdiffusionselektrode; Anwendung besagter vorreduzierter Gasdiffusionselektrode als Silber enthaltende Gasdiffusionselektrode als Kathode (11) in besagter Elektrolysezelle (Z) zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid durch Anlegen eines Elektrolysestromes, wobei dem Gasraum (4) ein Kohlendioxid-haltiges Gas in Form eines Gasstroms zugeführt wird und das zugeführte Kohlendioxid-haltige Gas bezogen auf dessen Volumen mehr als 80 Vol.-% CO2 enthält.
  2. 2. Verfahren nach Aspekt 1, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Zusammensetzung in Form einer Gasphase vorliegt, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens eines Gases, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält.
  3. 3. Verfahren nach Aspekt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Zusammensetzung in Form einer Gasphase vorliegt, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens eines Gases, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält, und die Zusammensetzung vor der Reduktion durch die Silberoxid enthaltende Gasdiffusionselektrode hindurch geleitet wird, bevorzugt mit einer Durchflussrate in einem Bereich von 5 L/h bis 21 L/h.
  4. 4. Verfahren nach Aspekt 1, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Zusammensetzung in Form einer wasserhaltigen, flüssigen Phase vorliegt, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch gelöst enthält.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die bereitgestellte Gasdiffusionselektrode mindestens 50 Gew.%; bevorzugt mindestens 75 Gew.-%; besonders bevorzugt mindestens 80 Gew.-%, Silber-I-Oxid enthält, bezogen auf das Gesamtgewicht der Gasdiffusionselektrode.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silberoxid, mindestens eine auf einem metallischen oder nichtmetallischen, leitfähigen oder nichtleitfähigen Träger aufgebrachte, kompaktierte Mischung umfasst, enthaltend Silberoxidpartikel im Gemisch mit Partikeln mindestens eines pulverförmigen, Fluor-haltigen Polymers, insbesondere Polytetrafluoroethylen Pulver, als Bindemittel.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion von Silberoxid der Gasdiffusionselektrode zu Silber durch Anlegen von elektrischem Strom bei einer Stromdichte von 0,5 bis 4 kA/m2, bevorzugt von 0,5 bis 2,5 kA/m2 durchgeführt wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorangehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion von Silberoxid der Gasdiffusionselektrode zu Silber durch Anlegen von elektrischem Strom über einen Zeitraum von mindestens 20 Minuten, bevorzugt mindestens 30 Minuten, durchgeführt wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der vorangehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass während der Reduktion von Silberoxid der pH-Wert des Elektrolyts, insbesondere des Katholyts, einen Wert von < pH 9,0 , besonders bevorzugt von < pH 8,5 , aufweist.
  10. 10. Verfahren nach einem der vorangehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die vorreduzierte Gasdiffusionselektrode ein Gewichtsverhältnis von metallischem Silber zu Silberoxiden von wenigstens 100000 aufweist.
  11. 11. Verfahren nach einem der vorangehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silberoxid, vor der Reduktion des Silberoxids in den Reduktionsraum, insbesondere in den Kathodenraum (14) der für die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid genutzten Elektrolysezelle (Z), eingebracht wird, wobei der Reduktionsraum durch die Gasdiffusionselektrode in einen Gasraum und einen davon getrennten Katholytraum aufgeteilt wird und zur Bereitstellung der Reduktionsumgebung die besagte Zusammensetzung in Form einer Gasphase, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens eines Gases, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält, in den Gasraum des Reduktionsraumes eingebracht wird und in den Katholytraum eine weitere Zusammensetzung in Form einer wasserhaltigen, flüssigen Phase, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch gelöst enthält, als Katholyt eingebracht wird.
  12. 12. Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silberoxid, vor der Reduktion des Silberoxids als Kathode in den Reduktionsraum eingebracht wird, und zur Bereitstellung der Reduktionsumgebung eine besagte Zusammensetzung in Form einer wasserhaltigen, flüssigen Phase, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch gelöst enthält, in den Reaktionsraum als Katholyt eingebracht, zur Gasdiffusionselektrode geführt und damit kontaktiert wird.
  13. 13. Verfahren nach einem der Aspekte 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Reduktion der Anolytraum mit Anolyt befüllt wird.
  14. 14. Verfahren nach einem der Aspekte 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Reduktion der Anolytraum mit Anolyt befüllt wird und der Katholyt in Form eines Katholytstromes zumindest während der Reduktion in den Katholytraum ein- und wieder ausgebracht wird.
  15. 15. Verfahren nach einem der Aspekte 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Katholyt eine wässrige Lösung enthaltend Alkalihydrogencarbonat, bevorzugt Kaliumhydrogencarbonat, Caesiumhydrogencarbonat oder Natriumhydrogencarbonat ist, besonders bevorzugt Kaliumhydrogencarbonat ist.
  16. 16. Verfahren nach einem der Aspekte 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Anolyt eine wässrige Lösung enthaltend Alkalihydrogencarbonat, bevorzugt Kaliumhydrogencarbonat, Caesiumhydrogencarbonat oder Natriumhydrogencarbonat ist, besonders bevorzugt Kaliumhydrogencarbonat ist.
  17. 17. Verfahren nach einem der Aspekte 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur von Anolyt und Katholyt unabhängig voneinander in einem Bereich von 10°C bis 60°C liegt.
  18. 18. Verwendung einer vorreduzierten Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silber, zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid, wobei die vorreduzierte Gasdiffusionselektrode erhalten wird durch Reduktion von Silberoxid einer Silberoxid-haltigen Gasdiffusionselektrode zu Silber dadurch gekennzeichnet, dass die vorreduzierte Gasdiffusionselektrode durch zumindest folgende Verfahrensschritte erhalten wird:
    • Einbringen der einer Silberoxid-haltigen Gasdiffusionselektrode in einen Reduktionsraum einer elektrochemischen Vorrichtung,
    • Bereitstellung einer Reduktionsumgebung, in dem zur eingebrachten Gasdiffusionselektrode mindestens eine Zusammensetzung in den Reduktionsraum eingebracht, zur Gasdiffusionselektrode geführt und damit kontaktiert wird, wodurch die Gasdiffusionselektrode von dieser Zusammensetzung zumindest teilweise eingehüllt wird, unter der Maßgabe, dass diese eingebrachte Zusammensetzung bezogen auf ihr Gesamtgewicht eine Menge von 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält;
    • Reduktion von Silberoxid der eingebrachten Gasdiffusionselektrode zu Silber unter Aufrechterhaltung der Reduktionsumgebung und unter Erhalt einer vorreduzierten Gasdiffusionselektrode.
The following aspects 1 to 18 represent a further embodiment of the invention, wherein the reference numerals in brackets are merely for clarification purposes and the embodiment does not refer to the subject matter of the 1 restricts:
  1. 1. Process for the electrochemical reduction of carbon dioxide in at least one electrolysis cell (Z) with at least one anode chamber (15) which contains at least one anode (10) in contact with anolyte (15a), and with at least one cathode chamber (16) which contains at least one silver-containing gas diffusion electrode as a cathode (11), wherein said gas diffusion electrode divides the cathode chamber (16) into a gas chamber (4) and a catholyte chamber (12) and the gas chamber (4) has at least one inlet for a gas stream and at least one outlet for a product gas stream, and wherein the process is carried out by carrying out at least the following steps in the following order of priority: providing at least one gas diffusion electrode containing silver oxide; introducing the gas diffusion electrode into a reduction chamber of an electrochemical device, preferably into the cathode chamber (14) of the electrolysis cell (Z); Providing a reduction environment in which at least one composition is introduced into the reduction space for the introduced gas diffusion electrode, guided to the gas diffusion electrode and contacted therewith, whereby the gas diffusion electrode is at least partially enveloped by this composition, with the proviso that this introduced composition contains, based on its total weight, an amount of 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof; reduction of silver oxide of the introduced gas diffusion electrode to silver while maintaining the reduction environment and obtaining a pre-reduced gas diffusion electrode; use of said pre-reduced gas diffusion electrode as a silver-containing gas diffusion electrode as a cathode (11) in said electrolysis cell (Z) for the electrochemical reduction of carbon dioxide by applying an electrolysis current, wherein a carbon dioxide-containing gas is supplied to the gas space (4) in the form of a gas stream and the supplied carbon dioxide-containing gas contains more than 80 vol.% CO 2 based on its volume.
  2. 2. Process according to aspect 1, characterized in that said composition is in the form of a gas phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one gas selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof.
  3. 3. Process according to aspect 1 or 2, characterized in that said composition is in the form of a gas phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one gas selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof, and the composition is passed through the silver oxide-containing gas diffusion electrode before reduction, preferably at a flow rate in a range of 5 L/h to 21 L/h.
  4. 4. Process according to aspect 1, characterized in that said composition is in the form of a water-containing liquid phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof in solution.
  5. 5. Method according to one of the preceding aspects, characterized in that the gas diffusion electrode provided contains at least 50 wt.%; preferably at least 75 wt.%; particularly preferably at least 80 wt.%, silver-I-oxide, based on the total weight of the gas diffusion electrode.
  6. 6. Method according to one of the preceding aspects, characterized in that the gas diffusion electrode containing silver oxide comprises at least one compacted mixture applied to a metallic or non-metallic, conductive or non-conductive carrier, containing silver oxide particles in a mixture with particles of at least one powdered, fluorine-containing polymer, in particular polytetrafluoroethylene powder, as a binder.
  7. 7. Method according to one of the preceding aspects, characterized in that the reduction of silver oxide of the gas diffusion electrode to silver is carried out by applying electric current at a current density of 0.5 to 4 kA/m 2 , preferably of 0.5 to 2.5 kA/m 2 .
  8. 8. Method according to one of the preceding aspects, characterized in that the reduction of silver oxide of the gas diffusion electrode to silver is carried out by applying electric current over a period of at least 20 minutes, preferably at least 30 minutes.
  9. 9. Process according to one of the preceding aspects, characterized in that during the reduction of silver oxide the pH of the electrolyte, in particular of the catholyte, has a value of < pH 9.0, particularly preferably of < pH 8.5.
  10. 10. Method according to one of the preceding aspects, characterized in that the pre-reduced gas diffusion electrode has a weight ratio of metallic silver to silver oxides of at least 100,000.
  11. 11. Method according to one of the preceding aspects, characterized in that the gas diffusion electrode containing silver oxide is introduced into the reduction chamber, in particular into the cathode chamber (14) of the electrolysis cell (Z) used for the electrochemical reduction of carbon dioxide, before the reduction of the silver oxide, wherein the reduction chamber is divided by the gas diffusion electrode into a gas chamber and a catholyte chamber separate therefrom and to provide the reduction environment, said composition in the form of a gas phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one gas selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof, is introduced into the gas chamber of the reduction chamber and a further composition in the form of a water-containing, liquid phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof in solution, is introduced into the catholyte chamber as a catholyte.
  12. 12. Method according to one of aspects 1 to 10, characterized in that the gas diffusion electrode containing silver oxide is introduced into the reduction chamber as a cathode before the reduction of the silver oxide, and to provide the reduction environment, said composition in Form of a water-containing, liquid phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof in dissolved form, is introduced into the reaction chamber as a catholyte, led to the gas diffusion electrode and contacted therewith.
  13. 13. Method according to one of aspects 11 or 12, characterized in that the anolyte chamber is filled with anolyte before the reduction.
  14. 14. Method according to one of aspects 11 to 13, characterized in that before the reduction the anolyte space is filled with anolyte and the catholyte is introduced into and removed from the catholyte space in the form of a catholyte stream at least during the reduction.
  15. 15. Process according to one of aspects 11 to 14, characterized in that the catholyte is an aqueous solution containing alkali hydrogen carbonate, preferably potassium hydrogen carbonate, cesium hydrogen carbonate or sodium hydrogen carbonate, particularly preferably potassium hydrogen carbonate.
  16. 16. Process according to one of aspects 11 to 15, characterized in that the anolyte is an aqueous solution containing alkali hydrogen carbonate, preferably potassium hydrogen carbonate, cesium hydrogen carbonate or sodium hydrogen carbonate, particularly preferably potassium hydrogen carbonate.
  17. 17. Method according to one of aspects 11 to 16, characterized in that the operating temperature of anolyte and catholyte independently of one another is in a range from 10°C to 60°C.
  18. 18. Use of a pre-reduced gas diffusion electrode containing silver for the electrochemical reduction of carbon dioxide, wherein the pre-reduced gas diffusion electrode is obtained by reducing silver oxide of a silver oxide-containing gas diffusion electrode to silver, characterized in that the pre-reduced gas diffusion electrode is obtained by at least the following process steps:
    • Introducing a silver oxide-containing gas diffusion electrode into a reduction chamber of an electrochemical device,
    • Providing a reduction environment in which at least one composition is introduced into the reduction space for the introduced gas diffusion electrode, guided to the gas diffusion electrode and contacted therewith, whereby the gas diffusion electrode is at least partially enveloped by this composition, with the proviso that this introduced composition contains, based on its total weight, an amount of 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof;
    • Reduction of silver oxide of the introduced gas diffusion electrode to silver while maintaining the reduction environment and obtaining a pre-reduced gas diffusion electrode.

BeispieleExamples

Die Experimente wurden in einer elektrochemischen Zelle „Micro Flow Cell“ von der Fa. ElectroCell mit einer aktiven geometrischen Fläche von 10cm2 durchgeführt. Die Zelle besaß drei jeweils 2 mm breite durchströmte Kammern: Anlolytraum, Katholytraum und Gasraum. Die verwendete Anode war eine Vollmetallelektrode aus IrO2. Eine Kation-Austauschermembran Typ F133 trennte die Elektrolyträume. Zwischen Rahmen, Elektroden und Membran wurden Viton Dichtungen eingesetzt.The experiments were carried out in an electrochemical cell "Micro Flow Cell" from ElectroCell with an active geometric area of 10cm 2 . The cell had three flow chambers, each 2 mm wide: anolyte chamber, catholyte chamber and gas chamber. The anode used was a solid metal electrode made of IrO 2 . A cation exchange membrane type F133 separated the electrolyte chambers. Viton seals were used between the frame, electrodes and membrane.

Als Anolyt und Katholyt wurden jeweils 1,33M KHCO3 (Fa. Bernd Kraft) verwendet, der pH lag damit bei Versuchsbeginn bei 7,9. Anolyt und Katholyt wurden jeweils durch Behälter mit doppelwandigem Mantel über Radialpumpen bei 20°C gespeist. Die Elektrolyttanks wurden permanent mit N2 überlagert. Der während der Anodenreaktion erzeugte Sauerstoff wurde mit dem Anolytrückfluss aus der Zelle ausgetragen. Die Stickstoffüberlagerung des Katholyttanks wurde mit dem Austrittsstrom der Gaskammer zusammengeführt, in einer Kühlfalle von Wasser befreit und danach in einem handelsüblichen Gasanalysator analysiert.1.33M KHCO 3 (Bernd Kraft) was used as anolyte and catholyte, so the pH was 7.9 at the start of the experiment. Anolyte and catholyte were each fed through containers with double-walled jackets via radial pumps at 20°C. The electrolyte tanks were permanently blanketed with N 2 . The oxygen generated during the anode reaction was removed from the cell with the anolyte reflux. The nitrogen blanket of the catholyte tank was combined with the outlet stream of the gas chamber, freed of water in a cold trap and then analyzed in a commercially available gas analyzer.

Die Elektroden wurden über einen Gleichrichter mit Gleichstrom versorgt. Eine Ag/AgCl-Referenzelektrode wurde im Katholytraum zur Potenzialmessung der GDE eingesetzt.The electrodes were supplied with direct current via a rectifier. An Ag/AgCl reference electrode was used in the catholyte chamber to measure the potential of the GDE.

Vor Beginn der CO2- Reduktion wurde die GDE in dem CO2-Elektrolyseur nach dem erfindungsgemäßen Verfahren reduziert. Dazu wurde galvanostatisch ein elektrischer Strom von 1 A (Stromdichte 1 kA/m2) vorgegeben. Gasseitig strömten währenddessen anstelle vom CO2 21 l/h N2. Die Laufzeit betrug 1h bei 20°C, um eine vollständige Reduktion der GDE sicher zu stellen. Die GDE änderte dabei ihre Farbe von schwarz-grau zu weiß-gold. Das Ende der Reduktion konnte neben der visuellen Beobachtung der Verfärbung der GDE auch durch Messwerte des Elektrodenpotenzials dokumentiert werden. Diese sind in 2 illustriert. Das Elektrodenpotenzial E vs. Ag/AgCl [V] sank während der Betriebsdauer erkennbar ab. Zudem setzte die Produktion von Wasserstoff ein. Die im Produktgasstrom festgestellte Wasserstoffbildung φH2[Vol.-%] setzte schon vor Ablauf des Ag2O-Reduktionsprozesses ein, da kein extern zugeführter Gasstrom beim vorhandenen Elektrolyten benötigt wurde und das abfallende Potenzial das Aktivierungspotenzial der Wasserstoffbildungsreaktion überstieg.Before the start of the CO 2 reduction, the GDE was reduced in the CO 2 electrolyzer using the method according to the invention. For this purpose, an electric current of 1 A (current density 1 kA/m 2 ) was applied galvanostatically. On the gas side, 21 l/h of N 2 flowed instead of CO 2 . The running time was 1 hour at 20°C to ensure complete reduction of the GDE. The GDE changed its color from black-gray to white-gold. The end of the reduction could be determined by visual observation of the discoloration. The application of the GDE can also be documented by measuring the electrode potential. These are 2 illustrated. The electrode potential E vs. Ag/AgCl [V] decreased noticeably during the operating period. In addition, the production of hydrogen began. The hydrogen formation φ H2 [vol.%] observed in the product gas stream began before the Ag 2 O reduction process had finished, since no externally supplied gas flow was required with the electrolyte present and the decreasing potential exceeded the activation potential of the hydrogen formation reaction.

Die in-situ Reduktion konnte auf zwei verschiedene Art und Weisen und bei unterschiedlichen Betriebsparametern stattfinden:

  1. a) Indem N2 unter Anlegen eines Stromes wie oben beschrieben in die Zelle eingeleitet wurde und
  2. b) Indem der Ausgang des Gasraumes verschlossen wurde und der Stickstoff dadurch zum Durchtritt durch die Gasdiffusionselektrode gezwungen wurde. Dabei variierte der Gasdurchtritt zwischen 5 und 21 l/h. Eine dementsprechende in situ Reduktion des Silberoxids wurde bei folgenden Betriebsparametern durchgeführt:
Temperatur in °C Differenzdruck zwischen Katholytraum und Gasraum in mbar Stromdichte in kA/m2 20 20 1,0 30 20 1,0 40 20 1,0 20 40 1,0 20 60 1,0 20 20 0,5 20 20 2,0 20 20 3,0 20 20 4,0 The in-situ reduction could take place in two different ways and under different operating parameters:
  1. a) By introducing N 2 into the cell under a current as described above and
  2. b) By closing the outlet of the gas chamber and forcing the nitrogen to pass through the gas diffusion electrode. The gas passage varied between 5 and 21 l/h. A corresponding in situ reduction of the silver oxide was carried out under the following operating parameters:
Temperature in °C Differential pressure between catholyte chamber and gas chamber in mbar Current density in kA/m 2 20 20 1.0 30 20 1.0 40 20 1.0 20 40 1.0 20 60 1.0 20 20 0.5 20 20 2.0 20 20 3.0 20 20 4.0

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Claims (10)

Verfahren zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid in mindestens einer Elektrolysezelle (Z) mit mindestens einem Anodenraum (15), der mindestens eine mit Anolyt (15a) in Kontakt stehende Anode (10) enthält, und mit mindestens einem Kathodenraum (16), der mindestens eine Silber enthaltende Gasdiffusionselektrode als Kathode (11) enthält, wobei besagte Gasdiffusionselektrode den Kathodenraum (16) in einen Gasraum (4) und einem Katholytraum (12) unterteilt und der Gasraum (4) mindestens einen Einlass für einen Gasstrom und mindestens einen Auslass für einen Produktgasstrom aufweist, und wobei das Verfahren unter Ausführung mindestens folgender Schritte in nachfolgender Rangfolge durchgeführt wird Bereitstellung mindestens einer Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silberoxid; Einbringen der Gasdiffusionselektrode in einen Reduktionsraum einer elektrochemischen Vorrichtung, bevorzugt in den Kathodenraum (14) der Elektrolysezelle (Z); Bereitstellung einer Reduktionsumgebung, in dem zur eingebrachten Gasdiffusionselektrode mindestens eine Zusammensetzung in den Reduktionsraum eingebracht, zur Gasdiffusionselektrode geführt und damit kontaktiert wird, wodurch die Gasdiffusionselektrode von dieser Zusammensetzung zumindest teilweise eingehüllt wird, unter der Maßgabe, dass diese eingebrachte Zusammensetzung bezogen auf ihr Gesamtgewicht eine Menge von 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält; Reduktion von Silberoxid der eingebrachten Gasdiffusionselektrode zu Silber unter Aufrechterhaltung der Reduktionsumgebung und unter Erhalt einer vorreduzierten Gasdiffusionselektrode; Anwendung besagter vorreduzierter Gasdiffusionselektrode als Silber enthaltende Gasdiffusionselektrode als Kathode (11) in besagter Elektrolysezelle (Z) zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid durch Anlegen eines Elektrolysestromes, wobei dem Gasraum (4) ein Kohlendioxid-haltiges Gas in Form eines Gasstroms zugeführt wird und das zugeführte Kohlendioxid-haltige Gas bezogen auf dessen Volumen mehr als 80 Vol.-% CO2 enthält. Method for the electrochemical reduction of carbon dioxide in at least one electrolysis cell (Z) with at least one anode chamber (15) which contains at least one anode (10) in contact with anolyte (15a), and with at least one cathode chamber (16) which contains at least one silver-containing gas diffusion electrode as cathode (11), wherein said gas diffusion electrode divides the cathode chamber (16) into a gas chamber (4) and a catholyte chamber (12) and the gas chamber (4) has at least one inlet for a gas stream and at least one outlet for a product gas stream, and wherein the method is carried out by carrying out at least the following steps in the following order of priority: providing at least one gas diffusion electrode containing silver oxide; introducing the gas diffusion electrode into a reduction chamber of an electrochemical device, preferably into the cathode chamber (14) of the electrolysis cell (Z); Providing a reduction environment in which at least one composition is introduced into the reduction space for the introduced gas diffusion electrode, guided to the gas diffusion electrode and contacted therewith, whereby the gas diffusion electrode is at least partially enveloped by this composition, with the proviso that this introduced composition contains, based on its total weight, an amount of 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof; Reduction of silver oxide of the introduced gas diffusion electrode to silver while maintaining the reduction environment and obtaining a pre-reduced gas diffusion electrode; Use of said pre-reduced gas diffusion electrode as a silver-containing gas diffusion electrode as a cathode (11) in said electrolysis cell (Z) for the electrochemical reduction of carbon dioxide by applying an electrolysis current, wherein a carbon dioxide-containing gas is supplied to the gas space (4) in the form of a gas stream and the supplied carbon dioxide-containing gas contains more than 80 vol.% CO 2 based on its volume. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Zusammensetzung in Form einer Gasphase vorliegt, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens eines Gases, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält.Procedure according to Claim 1 , characterized in that said composition is in the form of a gas phase which contains, based on its total weight, 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one gas selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Zusammensetzung in Form einer Gasphase vorliegt, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens eines Gases, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält, und die Zusammensetzung vor der Reduktion durch die Silberoxid enthaltende Gasdiffusionselektrode hindurch geleitet wird, bevorzugt mit einer Durchflussrate in einem Bereich von 5 L/h bis 21 L/h.Method according to one of the preceding claims, characterized in that said composition is in the form of a gas phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one gas selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof, and the composition is passed through the gas diffusion electrode containing silver oxide before reduction, preferably at a flow rate in a range of 5 L/h to 21 L/h. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Zusammensetzung in Form einer wasserhaltigen, flüssigen Phase vorliegt, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch gelöst enthält.Procedure according to Claim 1 , characterized in that said composition is in the form of a water-containing liquid phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof in solution. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bereitgestellte Gasdiffusionselektrode mindestens 50 Gew.%; bevorzugt mindestens 75 Gew.-%; besonders bevorzugt mindestens 80 Gew.-%, Silber-I-Oxid enthält, bezogen auf das Gesamtgewicht der Gasdiffusionselektrode.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the gas diffusion electrode provided contains at least 50 wt.%; preferably at least 75 wt.%; particularly preferably at least 80 wt.%, silver-I-oxide, based on the total weight of the gas diffusion electrode. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion von Silberoxid der Gasdiffusionselektrode zu Silber durch Anlegen von elektrischem Strom bei einer Stromdichte von 0,5 bis 4 kA/m2, bevorzugt von 0,5 bis 2,5 kA/m2 durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the reduction of silver oxide of the gas diffusion electrode to silver is carried out by applying electric current at a current density of 0.5 to 4 kA/m 2 , preferably 0.5 to 2.5 kA/m 2 . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silberoxid, vor der Reduktion des Silberoxids in den Reduktionsraum, insbesondere in den Kathodenraum (14) der für die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid genutzten Elektrolysezelle (Z), eingebracht wird, wobei der Reduktionsraum durch die Gasdiffusionselektrode in einen Gasraum und einen davon getrennten Katholytraum aufgeteilt wird und zur Bereitstellung der Reduktionsumgebung die besagte Zusammensetzung in Form einer Gasphase, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens eines Gases, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält, in den Gasraum des Reduktionsraumes eingebracht wird und in den Katholytraum eine weitere Zusammensetzung in Form einer wasserhaltigen, flüssigen Phase, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch gelöst enthält, als Katholyt eingebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the gas diffusion electrode containing silver oxide is introduced into the reduction chamber, in particular into the cathode chamber (14) of the electrolysis cell (Z) used for the electrochemical reduction of carbon dioxide, before the reduction of the silver oxide, the reduction chamber being divided by the gas diffusion electrode into a gas chamber and a catholyte chamber separate therefrom, and to provide the reduction environment, said composition in the form of a gas phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one gas selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof, is introduced into the gas chamber of the reduction chamber, and a further composition in the form of a water-containing, liquid phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof in solution, is introduced into the catholyte chamber as a catholyte. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silberoxid, vor der Reduktion des Silberoxids als Kathode in den Reduktionsraum eingebracht wird, und zur Bereitstellung der Reduktionsumgebung eine besagte Zusammensetzung in Form einer wasserhaltigen, flüssigen Phase, die bezogen auf ihr Gesamtgewicht 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch gelöst enthält, in den Reaktionsraumes als Katholyt eingebracht, zur Gasdiffusionselektrode geführt und damit kontaktiert wird.Method according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the gas diffusion electrode containing silver oxide is introduced into the reduction chamber as a cathode before the reduction of the silver oxide, and to provide the reduction environment, a said composition in the form of a water-containing, liquid phase which, based on its total weight, contains 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof in solution, is introduced into the reaction chamber as a catholyte, led to the gas diffusion electrode and contacted therewith. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Katholyt und/oder der Anolyt eine wässrige Lösung enthaltend Alkalihydrogencarbonat, bevorzugt Kaliumhydrogencarbonat, Caesiumhydrogencarbonat oder Natriumhydrogencarbonat ist, besonders bevorzugt Kaliumhydrogencarbonat ist.Method according to one of the Claims 7 or 8th , characterized in that the catholyte and/or the anolyte is an aqueous solution containing alkali hydrogen carbonate, preferably potassium hydrogen carbonate, caesium hydrogen carbonate or sodium hydrogen carbonate, particularly preferably potassium hydrogen carbonate. Verwendung einer vorreduzierten Gasdiffusionselektrode, enthaltend Silber, zur elektrochemischen Reduktion von Kohlendioxid, wobei die vorreduzierte Gasdiffusionselektrode erhalten wird durch Reduktion von Silberoxid einer Silberoxid-haltigen Gasdiffusionselektrode zu Silber dadurch gekennzeichnet, dass die vorreduzierte Gasdiffusionselektrode durch zumindest folgende Verfahrensschritte erhalten wird: Einbringen der einer Silberoxid-haltigen Gasdiffusionselektrode in einen Reduktionsraum einer elektrochemischen Vorrichtung, Bereitstellung einer Reduktionsumgebung, in dem zur eingebrachten Gasdiffusionselektrode mindestens eine Zusammensetzung in den Reduktionsraum eingebracht, zur Gasdiffusionselektrode geführt und damit kontaktiert wird, wodurch die Gasdiffusionselektrode von dieser Zusammensetzung zumindest teilweise eingehüllt wird, unter der Maßgabe, dass diese eingebrachte Zusammensetzung bezogen auf ihr Gesamtgewicht eine Menge von 0 mg/kg bis 1000 mg/kg mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus CO2, O2 oder deren Gemisch enthält; Reduktion von Silberoxid der eingebrachten Gasdiffusionselektrode zu Silber unter Aufrechterhaltung der Reduktionsumgebung und unter Erhalt einer vorreduzierten Gasdiffusionselektrode.Use of a pre-reduced gas diffusion electrode containing silver for the electrochemical reduction of carbon dioxide, wherein the pre-reduced gas diffusion electrode is obtained by reducing silver oxide of a silver oxide-containing gas diffusion electrode to silver, characterized in that the pre-reduced gas diffusion electrode is obtained by at least the following method steps: introducing a silver oxide-containing gas diffusion electrode into a reduction chamber of an electrochemical device, providing a reduction environment in which at least one composition is introduced into the reduction chamber for the introduced gas diffusion electrode, guided to the gas diffusion electrode and contacted therewith, whereby the gas diffusion electrode is at least partially enveloped by this composition, with the proviso that this introduced composition contains, based on its total weight, an amount of 0 mg/kg to 1000 mg/kg of at least one compound selected from CO 2 , O 2 or a mixture thereof; Reduction of silver oxide of the introduced gas diffusion electrode to silver while maintaining the reduction environment and obtaining a pre-reduced gas diffusion electrode.
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